№9. Генетическая связь неорганических веществ: как пройти цепочку превращений
В задании №9 дана схема из двух превращений, и нужно выбрать вещества X и Y из общего списка. По сути это две отдельные одностадийные реакции: важно увидеть тип каждой стрелки и не предложить реагент, который даёт не тот продукт. Ошибка обычно в том, что кислоту берут там, где нужен оксид, а воду там, где нужна кислота.
Формулировка такая: дана цепочка вида «вещество 1 → вещество 2 → вещество 3», над стрелками стоят неизвестные реагенты X и Y, а ниже приведён список веществ с номерами. Нужно указать номера X и Y. Значит, задача распадается на две независимые: понять, чем из списка можно получить второе вещество из первого, а затем третье из второго.
Главный принцип: каждая стрелка — это одна конкретная реакция в одну стадию. Смотри, что меняется. Если меняется степень окисления элемента, нужен окислитель или восстановитель. Если меняется только состав ионов, нужна реакция обмена, и её реагент обязан содержать тот ион, который появляется в продукте. Если из оксида получается соль, а из соли — оксид, реагент определяется классом вещества.
Fe →(O2) Fe3O4 →(H2) FeO · P2O5 →(Ca(OH)2) Ca3(PO4)2 →(H2SO4) Ca(H2PO4)2
| Типовой переход | Реагент | Пример реакции |
|---|---|---|
| металл → оксид | кислород или перегретый водяной пар | 3Fe + 2O2 → Fe3O4 |
| металл → гидроксид | вода после удаления оксидной плёнки | 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 |
| металл → соль | кислота-неокислитель или соль менее активного металла | Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu |
| оксид → гидроксид | вода или щёлочь для амфотерных оксидов | Na2O + H2O → 2NaOH |
| оксид → соль | кислота, щёлочь или основный оксид | P2O5 + 3Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 3H2O |
| гидроксид → соль | кислота для основных, кислота или щёлочь для амфотерных | Al(OH)3 + 3HNO3 → Al(NO3)3 + 3H2O |
| соль → соль | обмен: осадок, газ или вода | BaCO3 + H2SO4 → BaSO4 (осадок) + CO2 + H2O |
| средняя соль → кислая соль | избыток кислоты или кислотный оксид | Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4 |
| кислая соль → средняя соль | основание или основной оксид | Ca(H2PO4)2 + 2Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 4H2O |
| неметалл → нитрид или силицид | активный металл при нагревании | 3Mg + N2 → Mg3N2 |
| нитрид, силицид, сульфид → газ | вода или кислота | Mg3N2 + 6H2O → 2NH3 + 3Mg(OH)2 |
| соль → простое вещество | более активный металл или электролиз | Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu |
Отдельно разберём амфотерность, потому что на ней построена половина цепочек с алюминием, цинком и хромом. Гидроксид алюминия растворяется и в кислоте, и в щёлочи: с кислотой получается обычная соль Al(NO3)3, а с раствором щёлочи — гидроксокомплекс Na[Al(OH)4]. Оксид алюминия ведёт себя так же. Значит, если в цепочке из гидроксида алюминия нужно получить соль с нитрат-ионом, подойдёт азотная кислота, а не щёлочь; если нужен именно алюминат натрия, потребуется щёлочь.
Cr(OH)3 + 3KOH → K3[Cr(OH)6] (раствор) · Cr(OH)3 + KOH →(сплавление) KCrO2 + 2H2O
И ещё один важный случай — соли очень слабых кислот. Нитриды, силициды, сульфиды и карбонаты при действии воды или кислоты дают газ: Mg3N2 даёт аммиак, Ca2Si даёт силан, сульфид алюминия даёт сероводород. Но продукт зависит от реагента: с водой из нитрида магния получается свободный аммиак, а с соляной кислотой — хлорид аммония. Поэтому прежде чем выбирать вещество, посмотри, что именно должно стоять в правой части цепочки: газ или соль.
- Шаг 1. Перепиши цепочку и подпиши под каждым веществом его класс: простое вещество, оксид, гидроксид, соль.
- Шаг 2. Разбери первую стрелку: что именно происходит — окисление, восстановление, обмен, присоединение воды.
- Шаг 3. Ограничь круг реагентов по составу продукта: если в продукте есть кальций, барий или калий, то реагент обязан содержать этот элемент.
- Шаг 4. Проверь, даёт ли выбранный реагент нужный продукт именно в одну стадию: кислоты дают соли, а не оксиды; вода с активными металлами даёт гидроксид, а не оксид.
- Шаг 5. Повтори то же для второй стрелки, уже от установленного промежуточного вещества.
- Шаг 6. Запиши две цифры в порядке X и Y и проверь, что обе есть в списке и что выбранные реагенты не противоречат условиям (раствор, сплавление, нагревание).
Типичные ошибки. 1) Берут кислоту там, где нужен оксид: кислоты переводят металл в соль, а не в оксид, поэтому для перехода металл → оксид подходит кислород или вода. 2) Путают продукты реакции с водой и с кислотой: нитрид магния с водой даёт аммиак, а с хлороводородом — хлорид аммония. 3) Забывают про амфотерность и берут щёлочь там, где нужна кислота: в избытке щёлочи гидроксид алюминия растворяется, а соль с нитрат-ионом так не получить. 4) Не учитывают, какой щелочной металл стоит в реагенте, и приписывают продукту чужой катион. 5) Предлагают реакцию в две стадии вместо одной: например, чтобы из меди получить сульфат меди, берут разбавленную серную кислоту, хотя она с медью не реагирует. 6) Ставят цифры не по порядку: сначала Y, потом X, хотя в бланк идут номера слева направо.
Проверь себя
- Почему для перехода «металл → оксид» не подходят кислоты, хотя они окисляют металл?
- Как по записи правой части цепочки понять, нужна вода или кислота для разложения нитрида?
- Какие два разных продукта даёт гидроксид алюминия с кислотой и с раствором щёлочи?
- Из меди нужно получить сульфат меди (II) в одну стадию. Какую кислоту выбрать и почему разбавленная серная не подойдёт?
- Зачем при разборе цепочки проверять, какой именно щелочной металл входит в реагент?
Показательные решения
- Цепочка ведёт от железа через оксид железа к оксиду, в котором железо имеет степень окисления +2. Нужно выбрать вещество X для первой стрелки и вещество Y для второй.
- Первая стрелка — окисление железа до смешанного оксида Fe3O4. Из предложенных веществ окислить железо могут азотная кислота, серная кислота и кислород, и это первое сужение круга.
- Но кислоты переводят железо в соль, а в цепочке стоит оксид. Значит кислоты как реагент не подходят, и остаётся кислород: 3Fe + 2O2 → Fe3O4. Вещество X — кислород, это вариант 2.
- Вторая стрелка — восстановление железа из степени окисления +3 до +2 в составе оксида, то есть нужен восстановитель.
- Из перечня восстановителем, который даёт именно оксид железа (II), служит водород: Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O. Вещество Y — водород, вариант 3.
- Проверка: в первой реакции продукт — оксид, поэтому реагент не должен содержать кислотного остатка; во второй меняется степень окисления, поэтому нужен именно восстановитель, а не кислота.
- Ответ: 23 — сначала кислород, затем водород.
Ответ: 23
Официальное решение из банка ФИПИ
В первой реакции происходит окисление железа. Окислить железо могут азотная кислота, кислород и серная кислота. Но кислоты превратят железо не в оксид, а в соль. Поэтому веществом X является кислород. 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄. Во второй реакции происходит восстановление железа из степени окисления +3 до степени окисления +2. Единственным восстановителем из представленных веществ является водород. Вещество Y — это водород. Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O. Ответ: 23.
- Цепочка: оксид фосфора (V) → фосфат кальция → дигидрофосфат кальция. Нужно найти реагенты X и Y.
- Первая стрелка: из кислотного оксида получают среднюю соль. Для этого нужен реагент основного характера, и в продукте есть кальций, значит реагент обязан его содержать. Из списка подходит гидроксид кальция Ca(OH)2 — вещество 3.
- Записываем реакцию: P2O5 + 3Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 3H2O. Коэффициенты расставлены по числу атомов фосфора и кальция.
- Вторая стрелка: из средней соли нужно получить кислую. Фосфат кальция нерастворим, поэтому нужна растворимая кислота, дающая с ним реакцию обмена. Из списка подходит серная кислота H2SO4 — вещество 5.
- Реакция: Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4. Кислоту берут в достаточном количестве, чтобы все фосфат-ионы перешли в дигидрофосфат.
- Проверка: щёлочь на второй стрелке не подошла бы — она переводит фосфат в нерастворимый осадок, а не в кислую соль, а вода вообще с ним не реагирует.
- Ответ: 35 — сначала гидроксид кальция, затем серная кислота.
Ответ: 35
Официальное решение из банка ФИПИ
Первая реакция. Из кислотного оксида получается средняя соль. Для этого нужно добавить или соответствующую щелочь или основный оксид. В представленном наборе веществ подходит только гидроксид кальция Ca (OH)₂. Вещество X — гидроксид кальция. P₂O₅ + 3Ca (OH)₂ = Ca₃ (PO₄)₂ + 3H₂O. Вторая реакция. Из средней соли получается соответствующая кислая соль. Фосфат кальция — нерастворимая соль, поэтому для получения из нее кислой соли нужно использовать растворимую кислоту или соответствующий кислотный оксид. В представленном наборе веществ подходит только серная кислота H₂SO₄. Ca₃ (PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca (H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄. Ответ: 35.
- Цепочка: азот → нитрид магния → аммиак. Нужны вещества X и Y из предложенного списка.
- Первая стрелка — восстановление азота из степени окисления 0 до −3, значит нужен восстановитель. Среди веществ, содержащих магний, восстановителем является только сам металлический магний, то есть магний в нулевой степени окисления.
- Реакция: N2 + 3Mg → Mg3N2 при нагревании. Вещество X — магний, вариант 2.
- Вторая стрелка: из соли, образованной очень слабой кислотой (аммиаком), нужно получить сам аммиак. Для этого нужна среда, которая вытеснит его из соли, — вода.
- С хлороводородом получился бы хлорид аммония, то есть соль, а не свободный газ, поэтому кислота не подходит. Реакция идёт с водой: Mg3N2 + 6H2O → 2NH3 + 3Mg(OH)2. Вещество Y — вода, вариант 5.
- Проверка: смотрим на правую часть цепочки — там стоит именно NH3, а не соль аммония, значит реагент должен быть нейтральным, без кислотного остатка.
- Ответ: 25 — сначала магний, затем вода.
Ответ: 25
Официальное решение из банка ФИПИ
В первой реакции происходит восстановление азота из степени окисления 0 до степени окисления −3. Для этого нужен восстановитель. Среди представленных веществ, содержащих магний, единственный восстановитель — магний. Вещество X — это магний Mg. N₂ + 3Mg = Mg₃N₂. Во второй реакции из нитрида магния(соли) получается образующая эту соль «очень слабая кислота» аммиак. Для этого нужно добавить более сильную кислоту. Из предложенных веществ это могут быть HCl и H₂O. Но при реакции с хлороводородом получится хлорид аммония, а не аммиак. Вещество Y — это вода H₂O. Mg₃N₂ + 6H₂O = 2NH₃ + 3Mg (OH)₂. Ответ: 25.