№8. Свойства неорганических веществ: продукты реакций и выбор реагентов
Задание №8 проверяет умение предсказывать продукты реакции: даны реагенты, нужно выбрать верную запись результата. Здесь решают окислительно-восстановительные тонкости — концентрация кислоты, катализатор, диспропорционирование — и умение видеть невозможный продукт.
Задание устроено так: четыре позиции А, Б, В, Г с реагентами и пять вариантов, среди которых нужно выбрать продукты. Иногда формулировка обратная: даны вещества и наборы реагентов, и нужно найти набор, с каждым компонентом которого вещество реагирует. В обоих случаях ход решения одинаковый: определить тип реакции, расставить степени окисления и предсказать, что получится.
Сначала разделяем реакции на два больших типа. Реакции ионного обмена идут без изменения степеней окисления: здесь важно только, образуется ли осадок, газ или вода. Окислительно-восстановительные реакции меняют степени окисления: здесь нужно найти окислитель и восстановитель и понять, до чего они дойдут. Например, медь с разбавленной серной кислотой не реагирует, потому что водород не может окислить медь, а с концентрированной реагирует, потому что окислителем становится сера со степенью окисления +6.
3Cu + 8HNO3 (разб.) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (kat., t) · 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (без катализатора)
| Реагенты | Тип реакции | Продукты |
|---|---|---|
| Fe + HNO3 (разб.) | окислительно-восстановительная, окислитель — азот | Fe(NO3)3 + NO + H2O |
| Cu + HNO3 (конц.) | окислительно-восстановительная | Cu(NO3)2 + NO2 + H2O |
| Cu + 2H2SO4 (конц.) | окислительно-восстановительная, окислитель — сера | CuSO4 + SO2 + 2H2O |
| NH3 + O2 (kat. Pt, t) | каталитическое окисление | NO + H2O |
| NH3 + O2 (без катализатора) | горение | N2 + H2O |
| 2NH3 + 3CuO (t) | окисление аммиака оксидом металла | 3Cu + N2 + 3H2O |
| 2CuS + 3O2 (обжиг) | окисляются оба элемента | 2CuO + 2SO2 |
| 2Al + 2NaOH + 6H2O | амфотерность, водород выделяется | 2Na[Al(OH)4] + 3H2 |
| Al2S3 + 6H2O | необратимый гидролиз | 2Al(OH)3 (осадок) + 3H2S (газ) |
| Cl2 + H2O2 | окислитель — хлор, восстановитель — перекись | 2HCl + O2 |
| TiCl4 + 2Mg (t) | металлотермия | Ti + 2MgCl2 |
Три правила, которые закрывают большинство ловушек. Первое: кислоты-окислители (HNO3 любой концентрации и концентрированная H2SO4) водород не выделяют никогда — водород в них не восстанавливается, восстанавливается азот или сера. Второе: чем разбавленнее азотная кислота, тем глубже восстанавливается азот: концентрированная даёт NO2, разбавленная — NO, очень разбавленная — NH4NO3. Третье: активные металлы с водой дают гидроксид и водород, а амфотерные металлы со щёлочью — гидроксокомплекс и водород.
Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3 (осадок) + 3H2S (газ)
- Шаг 1. Определи классы реагентов и тип реакции: обмен или окислительно-восстановительная.
- Шаг 2. Если реакция окислительно-восстановительная, расставь степени окисления у элементов, которые могут их менять, и назови окислитель и восстановитель.
- Шаг 3. Уточни среду: разбавленная или концентрированная кислота, есть ли вода, щёлочь, катализатор, нагревание.
- Шаг 4. Запиши ожидаемые продукты для каждой позиции и проверь, что все атомы сошлись, а коэффициенты сбалансированы.
- Шаг 5. Отсеивай невозможные варианты: водород в реакции с азотной кислотой, железо со степенью окисления +2 при реакции с HNO3, оксид металла в водном растворе, две кислоты в продуктах одной реакции обмена.
- Шаг 6. Сравни оставшиеся варианты с позициями и запиши четыре цифры в порядке А, Б, В, Г.
Типичные ошибки. 1) Пишут водород в продуктах реакции металла с азотной или концентрированной серной кислотой: эти кислоты окисляют за счёт азота и серы, а не за счёт водорода. 2) Считают, что железо с азотной кислотой даёт соль железа со степенью окисления +2: азотная кислота окисляет железо до +3 при любой концентрации. 3) Не различают горение аммиака и каталитическое окисление: без катализатора получается N2, над платиной — NO. 4) Забывают, что при обжиге сульфида окисляются оба элемента, поэтому в продуктах обязательно есть и оксид металла, и оксид серы. 5) Пишут в продуктах гидролиза Al2S3 сероводород и сульфат вместо гидроксида алюминия: гидролиз соли слабого основания и слабой кислоты идёт до конца. 6) Не проверяют баланс: вариант с верным набором веществ, но неверными коэффициентами тоже считается ошибочным.
Проверь себя
- Почему в продуктах реакции меди с азотной кислотой нет водорода и что восстанавливается вместо него?
- Чем отличаются продукты реакции аммиака с кислородом без катализатора и в присутствии платины?
- Какие продукты образуются при обжиге сульфида меди (II) на воздухе и почему окисляются оба элемента?
- Какие продукты даёт алюминий в растворе щёлочи и почему это не соль обычного типа?
- Как меняется продукт восстановления азотной кислоты при переходе от концентрированной к разбавленной?
Показательные решения
- Даны четыре реакции, где реагенты похожи, а продукты нужно различить: аммиак с кислородом без катализатора, он же над платиной, оксид азота (IV) с кислородом и водой, аммиак с оксидом меди (II).
- Позиция А: аммиак горит в кислороде без катализатора. Азот в аммиаке — восстановитель, и он окисляется до простого вещества, а водород уходит в воду, значит продуктов N2 + H2O. Это вариант 3.
- Позиция Б: та же пара веществ, но над платиной идёт каталитическое окисление, и азот окисляется только до степени окисления +2. Получается NO + H2O, вариант 5. Всё различие целиком в катализаторе.
- Позиция В: оксид азота (IV) в присутствии кислорода и воды превращается в азотную кислоту — это промышленный способ её получения, вариант 1.
- Позиция Г: аммиак с оксидом меди (II) при нагревании. Здесь окислитель — медь, а не азот, поэтому азот аммиака выделяется в виде простого вещества, медь восстанавливается до металла, а водород уходит в воду: Cu + N2 + H2O, вариант 4.
- Проверка: в позиции Г водород действительно не выделяется, потому что окислителем служит медь, а не ион водорода, — вариант с H2 был бы грубой ошибкой.
- Ответ: 3514.
Ответ: 3514
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) NH₃ + O₂ → N₂ + Н₂O. Б) NH₃ + O₂ → Pt NO + Н₂O. В) NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃. Г) NH₃ + CuO → t ° Сu + N₂ + Н₂O. Ответ: 3514.
- Речь о превращениях алюминия и его соединений: алюминий с водой, алюминий со щёлочью, алюминий с разбавленной серной кислотой и сульфид алюминия с водой.
- Алюминий — амфотерный металл, и это свойство даёт разные продукты в разных средах. С водой он реагирует только после удаления оксидной плёнки, и получается именно гидроксид, а не оксид: Al(OH)3 и водород, вариант 1.
- Со щёлочью алюминий даёт растворимый гидроксокомплекс и водород: Na[Al(OH)4] + H2, вариант 4.
- С разбавленной серной кислотой идёт обычное вытеснение водорода и образуется сульфат алюминия, вариант 2.
- Сульфид алюминия в воде подвергается необратимому гидролизу, потому что и основание, и кислота слабые: получаются гидроксид алюминия (осадок) и сероводород (газ), вариант 3.
- Проверка: во всех четырёх позициях алюминий уходит либо в осадок, либо в раствор в виде соли, либо в комплекс; газ — это водород или сероводород, но не оксид.
- Ответ: 1423.
Ответ: 1423
Официальное решение из банка ФИПИ
Алюминий — амфотерный металл, он способен реагировать с водой (при удалении оксидной пленки), при этом получится гидроксид алюминия и водород. А — 1. При реакции алюминия со щелочью может образоваться соль — гидроксоалюминат и водород. Б — 4. С разбавленной серной кислотой произойдет окисление — образование сульфата алюминия и водорода. В — 2. Сульфид алюминия гидролизуются до гидроксида металла и соответствующего водородного соединения, в данном случае — гидроксида алюминия и сероводорода. Г — 3. Ответ: 1423.
- В задании четыре простых вещества — углерод, кислород, кремний и железо, и для каждого нужно выбрать набор реагентов, с которыми оно реагирует.
- Углерод восстанавливает металлы из их оксидов, реагирует с серой, а также окисляется концентрированной серной кислотой. Подходит набор 3: CaO + C, CuO + C и H2SO4 (конц.) + C.
- Кислород — окислитель для алюминия, аммиака и сульфида железа, причём в последнем случае окисляются оба элемента. Это набор 2.
- Кремний реагирует с раствором щёлочи, с магнием и с углеродом: Si + NaOH + H2O, Si + Mg и Si + C. Это набор 5.
- Железо как активный металл вытесняет водород из кислот, вытесняет медь из её соли и реагирует с перегретым водяным паром. Это набор 1.
- Проверка: в каждом выбранном наборе все три реагента дают реакцию с веществом — например, для углерода набор, где есть вода или щёлочь, не подошёл бы.
- Ответ: 3251.
Ответ: 3251
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. A) Углерод восстанавливает кальций и медь из их оксидов, а также серу при взаимодействии с концентрированной серной кислотой (3): CaO + C = CaC₂ + CO; CuO + C = Cu + CO; H₂SO₄ (конц.) + C = CO₂ + H₂O + SO₂. Б) Кислород окисляет алюминий, аммиак и сульфид железа (2): Al + O₂ = Al₂O₃; NH₃ + O₂ = N₂ + H₂O; FeS + O₂ = Fe₂O₃ + SO₂. B) Кремний взаимодействует с водным раствором щелочи, с магнием и с углеродом (5): Si + NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + H₂; Si + Mg = Mg₂Si; Si + C = SiC. Г) Железо активный металл, вытесняет водород из кислот и медь из ее солей, а также взаимодействует с водой (1): Fe + HCl = FeCl₂ + H₂; Fe + CuSO₄ = Cu + FeSO₄; Fe + H₂O = Fe₃O₄ + H₂. Ответ: 3251.