Задание 31. Взаимосвязь неорганических веществ (цепочки превращений)
Особенности задания 31
В этом задании проверяется знание химических свойств простых веществ, оксидов, кислот, оснований и солей. Часто встречаются окислительно-восстановительные реакции (ОВР), реакции ионного обмена, комплексные соединения, взаимный гидролиз и электролиз.
Алгоритм решения
- Внимательно прочитайте текст задания. Разбейте его на 4 смысловых предложения/фрагмента, каждое из которых описывает одну химическую реакцию.
- Выпишите формулы всех упомянутых веществ.
- Составьте схемы четырех реакций. Обратите внимание на признаки реакций (выделение газа, изменение цвета раствора, выпадение осадка), указанные в условии — они служат подсказками.
- Определите продукты реакций с учетом специфических условий (температура, концентрация реагентов, среда раствора).
- Расставьте коэффициенты. Внимание: уравнение без правильных коэффициентов не засчитывается!
- Проверьте написанные реакции. Убедитесь, что использованы именно те вещества, которые описаны в задании.
Ключевые темы и частые "ловушки"
1. Амфотерные соединения
Реакции соединений алюминия, цинка, хрома(III), бериллия со щелочами могут протекать по-разному в зависимости от условий:
- В водном растворе образуются комплексные соли:
\( \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4] \) - При сплавлении образуются средние соли (алюминаты, цинкаты):
\( \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{NaAlO}_2 + \text{H}_2\text{O} \)
Комплексные соли разрушаются при добавлении кислот, кислотных оксидов или при нагревании. Недостаток кислоты осаждает амфотерный гидроксид, избыток сильной кислоты растворяет его с образованием соли:
\( \text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4] + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Al}(\text{OH})_3\downarrow + \text{NaHCO}_3 \)
2. Взаимный гидролиз
Происходит при сливании водных растворов солей, образованных слабым основанием (например, \( \text{Al}^{3+}, \text{Cr}^{3+}, \text{Fe}^{3+} \)) и слабой, легко летучей или нерастворимой кислотой (\( \text{S}^{2-}, \text{SO}_3^{2-}, \text{CO}_3^{2-} \)). В результате выпадает осадок гидроксида и выделяется газ.
Пример: \( 2\text{AlCl}_3 + 3\text{Na}_2\text{CO}_3 + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Al}(\text{OH})_3\downarrow + 3\text{CO}_2\uparrow + 6\text{NaCl} \)
3. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)
Часто в заданиях 31 нужно применять знания ОВР. Особенно часто встречаются соединения железа, хрома, марганца, галогены и азотная/серная кислоты.
| Окислитель | Среда | Продукт восстановления |
|---|---|---|
| \( \text{KMnO}_4 \) | Кислая (\( \text{H}^+ \)) | \( \text{Mn}^{2+} \) (бесцветный раствор) |
| \( \text{KMnO}_4 \) | Нейтральная (\( \text{H}_2\text{O} \)) | \( \text{MnO}_2 \) (бурый осадок) |
| \( \text{KMnO}_4 \) | Щелочная (\( \text{OH}^- \)) | \( \text{MnO}_4^{2-} \) (зеленый раствор) |
| \( \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 \) (оранжевый) | Кислая (\( \text{H}^+ \)) | \( \text{Cr}^{3+} \) (зеленый или фиолетовый раствор) |
4. Кислые и основные соли
Перевод кислой соли в среднюю осуществляется добавлением щелочи:
\( \text{Ca(HCO}_3)_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow 2\text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{H}_2\text{O} \)
А перевод средней соли в кислую – добавлением избытка кислоты (или кислотного оксида):
\( \text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2 \)
Специфические условия реакций
Некоторые реакции зависят от температуры и наличия катализатора:
- Реакции галогенов со щелочами:
На холоду: \( \text{Cl}_2 + 2\text{KOH} \rightarrow \text{KCl} + \text{KClO} + \text{H}_2\text{O} \)
При нагревании (\(t^\circ\)): \( 3\text{Cl}_2 + 6\text{KOH} \rightarrow 5\text{KCl} + \text{KClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O} \) - Окисление аммиака:
Без катализатора: \( 4\text{NH}_3 + 3\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \)
С катализатором (Pt): \( 4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{Pt}} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O} \) - Разложение бертолетовой соли (\( \text{KClO}_3 \)):
Без катализатора: \( 4\text{KClO}_3 \xrightarrow{t^\circ} 3\text{KClO}_4 + \text{KCl} \)
С катализатором (\( \text{MnO}_2 \)): \( 2\text{KClO}_3 \xrightarrow{t^\circ, \text{MnO}_2} 2\text{KCl} + 3\text{O}_2\uparrow \) - Взаимодействие \(\text{NO}_2\) с водой:
Без кислорода: \( 3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO} \)
В присутствии кислорода: \( 4\text{NO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2 \rightarrow 4\text{HNO}_3 \)
Разбор типовых задач
Условие: Железную окалину растворили в разбавленной азотной кислоте. К полученному раствору добавили раствор карбоната натрия, при этом выпал осадок и выделился газ. Выпавший осадок отделили и прокалили. Полученное твердое вещество сплавили с карбонатом калия. Напишите уравнения четырех описанных реакций.
Решение:
1. Растворение железной окалины (\( \text{Fe}_3\text{O}_4 \)) в азотной кислоте (разб.) — это ОВР, так как в окалине есть железо в степени окисления +2, которое окисляется до +3. Разбавленная \( \text{HNO}_3 \) обычно восстанавливается до \( \text{NO} \):
\( 3\text{Fe}_3\text{O}_4 + 28\text{HNO}_3 \rightarrow 9\text{Fe(NO}_3)_3 + \text{NO}\uparrow + 14\text{H}_2\text{O} \)
2. Добавление карбоната натрия к раствору нитрата железа(III). Это типичный пример взаимного гидролиза, в результате которого выпадает осадок \( \text{Fe(OH)}_3 \) и выделяется углекислый газ:
\( 2\text{Fe(NO}_3)_3 + 3\text{Na}_2\text{CO}_3 + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{CO}_2\uparrow + 6\text{NaNO}_3 \)
3. Осадок отделили и прокалили. При прокаливании гидроксида железа(III) образуется оксид железа(III) и вода:
\( 2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O} \)
4. Полученное твердое вещество (\( \text{Fe}_2\text{O}_3 \)) сплавили с карбонатом калия. Амфотерный оксид железа вытесняет более летучий углекислый газ, образуя феррит:
\( \text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{K}_2\text{CO}_3 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{KFeO}_2 + \text{CO}_2\uparrow \)
Условие: Хлорид хрома(III) смешали с водным раствором гидроксида калия (взят в избытке) и пропустили через эту смесь газообразный хлор. Полученный раствор желтого цвета подкислили серной кислотой, цвет раствора изменился на оранжевый. К оранжевому раствору добавили бромид калия. Напишите уравнения четырех описанных реакций.
Решение:
1. Взаимодействие хлорида хрома(III) с избытком щелочи приводит к образованию растворимого комплексного соединения:
\( \text{CrCl}_3 + 6\text{KOH} \rightarrow \text{K}_3[\text{Cr}(\text{OH})_6] + 3\text{KCl} \)
2. В щелочной среде соединения хрома(III) легко окисляются галогенами до хроматов (желтый цвет раствора). Хлор при этом восстанавливается до хлорида:
\( 2\text{K}_3[\text{Cr}(\text{OH})_6] + 3\text{Cl}_2 + 4\text{KOH} \rightarrow 2\text{K}_2\text{CrO}_4 + 6\text{KCl} + 8\text{H}_2\text{O} \)
3. Подкисление раствора хромата переводит его в дихромат (оранжевый цвет). Это не ОВР, а реакция перехода:
\( 2\text{K}_2\text{CrO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \)
4. Дихромат калия в кислой среде является сильным окислителем, он окисляет бромид калия до свободного брома, восстанавливаясь до сульфата хрома(III):
\( \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 6\text{KBr} + 7\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{Br}_2 + 4\text{K}_2\text{SO}_4 + 7\text{H}_2\text{O} \)
Условие: Белый фосфор нагрели в избытке кислорода. Полученное твердое вещество растворили в горячей воде. К образовавшемуся раствору добавили избыток гидроксида кальция. Выпавший осадок смешали с песком и углем и прокалили. Напишите уравнения четырех описанных реакций.
Решение:
1. Горение белого фосфора в избытке кислорода приводит к образованию оксида фосфора(V):
\( 4\text{P} + 5\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{P}_2\text{O}_5 \)
2. Растворение оксида фосфора(V) в горячей воде дает ортофосфорную кислоту (если вода холодная, образуется метафосфорная кислота, но здесь указана горячая):
\( \text{P}_2\text{O}_5 + 3\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{H}_3\text{PO}_4 \)
3. Взаимодействие фосфорной кислоты с избытком гидроксида кальция. Образуется средняя соль фосфат кальция, который выпадает в осадок:
\( 2\text{H}_3\text{PO}_4 + 3\text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\downarrow + 6\text{H}_2\text{O} \)
4. Прокаливание фосфата кальция с песком (диоксид кремния) и углем — это промышленный способ получения фосфора (реакция протекает при высокой температуре):
\( \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 3\text{SiO}_2 + 5\text{C} \xrightarrow{t^\circ} 3\text{CaSiO}_3 + 2\text{P} + 5\text{CO}\uparrow \)