В данной статье представлен пример решения задачи №31 ЕГЭ по химии с подробными пояснениями
Задача №31 – это задание на составление уравнений реакций с участием неорганических веществ. Для выполнения этой задачи нужно хорошо знать химические свойства разных классов неорганических соединений и ориентироваться в их взаимных превращениях. Кроме того, это одна из тех задач ЕГЭ, где нужно особенно внимательно читать условие, потому что каждое слово в нём важно и может содержать подсказки, или наоборот, при невнимательном прочтении, увести решение в неправильном направлении.
Понятно, что абсолютно все свойства неорганических веществ знать наизусть невозможно, но часто можно понять, какие же получаются продукты, с помощью логических рассуждений. Как это можно сделать – я покажу на примере задачи вот с таким условием:
«При взаимодействии концентрированной серной кислоты с йодидом калия был получен газ с неприятным запахом, который затем сожгли в недостатке кислорода. Образовавшееся твёрдое простое вещество вступило при нагревании в реакцию с концентрированной азотной кислотой. Выделившийся в результате реакции газ поглотили избытком раствора гидроксида калия.
Напишите уравнения четырёх описанных реакций.»
Решение:
Итак, о первой реакции нам известно, что «при взаимодействии концентрированной серной кислоты с йодидом калия был получен газ с неприятным запахом». Газ с неприятным запахом, который может быть получен как продукт взаимодействия серной кислоты, это явно сероводород H2S. Еще можно подумать про диоксид серы SO2, который также часто образуется в реакциях с серной кислотой, но про него скорее напишут, что это газ с резким запахом, а не неприятным.
Мы определили первый продукт реакции, и можно записать начало уравнения:
Сразу должно стать понятно, что это окислительно-восстановительная реакция: в серной кислоте сера имеет степень окисления + 6, а в сероводороде – степень окисления – 2. Серная кислота – окислитель, так как она содержит атом серы с максимально возможной степенью окисления + 6, и для него возможно только присоединение электронов. Так как электрон – это отрицательная частица, то при их присоединении происходит понижение степени окисления, что мы и видим в данном случае:
Второе исходное вещество – йодид калия – должен быть восстановителем, и он может быть только восстановителем, так как содержит атом йода в минимальной степени окисления – 1. Атом йода в йодиде калия может только отдавать электроны и при этом повышать свою степень окисления. И даже если не знать наизусть продукты данной реакции, то логичнее всего предположить, что степень окисления йода повышается до 0 и образуется простое вещество йод:
Обратите внимание, что в этом электронном уравнении сразу нужно поставить коэффициент 2 перед атомами йода и удвоить количество электронов, так как образуется двухатомная молекула простого вещества.
Добавляем йод в уравнение реакции:
Мы определили основные продукты реакции – продукты окисления и восстановления исходных веществ, но в любой окислительно-восстановительной реакции есть и побочные продукты.
Чтобы определить, что это могут быть за побочные продукты, давайте сначала внимательно посмотрим на получившееся уравнение и ответим на вопрос – все ли элементы, входящие в состав исходных веществ, есть в составе продуктов реакции? Ответ – нет, в продуктах реакции нигде не проявлен элемент калий. Значит, нужно добавить какой-то продукт реакции, содержащий калий. Очевидно, что это будет сульфат калия K2SO4, так как в реакции присутствуют сульфат-ионы:
Здесь есть ещё один продукт реакции – вода, так как она всегда образуется в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в кислой среде. Но если среди продуктов реакции есть другие вещества, содержащие водород, как в данном случае сероводород, то ученики часто забывают про воду. Давайте предположим, что мы тоже сейчас про неё забыли; потом на определённом этапе решения задачи станет понятно, что её всё-таки нужно добавить.
А сейчас попробуем расставить коэффициенты в полученном уравнении, и для этого соединим вместе электронные уравнения:
Чтобы получить одинаковое количество отдаваемых и присоединяемых электронов, нужно второе уравнение умножить на 4:
Это значит, что в уравнении реакции нужно поставить перед молекулами йода коэффициент 4, а перед молекулами йодида калия – коэффициент 8 (4 нужно умножить на 2). Перед серосодержащими веществами пока не ставим никаких коэффициентов. Вот что у нас получилось:
Сразу видно, что уравнение явно не уравнено. В левой части уравнения 8 атомов калия, а в правой – всего 2 атома калия; в левой части – 1 атом серы, а в правой – 2 атома. Что будем уравнивать в первую очередь – серу или калий?
На первый взгляд кажется, что проще уравнять сначала серу, поставив коэффициент 2 перед молекулами серной кислоты, но это не так. Сера содержится сразу в двух продуктах реакции – сероводороде и сульфате калия, поэтому уравнять её будет сложнее.
Начинают уравнивание с тех элементов, которые содержатся только в одном исходном веществе и одном продукте реакции. В данном случае начинаем уравнивание с атомов калия: нужно добавить коэффициент 4 перед молекулами сульфата калия, чтобы получить по 8 атомов калия в обеих частях уравнения:
А вот теперь уравниваем атомы серы, потому что водород и кислород нужно оставить на самую последнюю очередь. Сейчас в правой части уравнения у нас 5 атомов серы – 1 в сероводороде (на что указывает электронное уравнение) и 4 в сульфате калия (полученные после уравнивания атомов калия). Это значит, что нужно поставить коэффициент 5 перед молекулами серной кислоты:
Если кто-то в этом видит противоречие с электронным уравнением, то никакого противоречия нет. Просто не все молекулы серной кислоты участвуют в окислительно-восстановительном процессе: 1 молекула серной кислоты выступает в роли окислителя и превращается в сероводород, а остальные 4 молекулы серной кислоты просто создают кислую среду и образуют сульфат калия.
И вот теперь наступает тот момент, когда ученик должен понять, что в уравнении явно не хватает ещё одного продукта реакции! Сейчас подошла очередь уравнивать водород и кислород и очевидно, что это невозможно. В левой части уравнения 5 молекул серной кислоты, в которых содержится 10 атомов водорода, а в правой только 2 атома водорода в сероводороде. Увеличивать количество молекул сероводорода, чтобы уравнять водород, мы не можем, так как оно определяется электронным уравнением. Поэтому получить недостающие 8 атомов водорода в правой части уравнения нужно другим способом.
Также видно, что в левой и правой частях уравнения разное количество атомов кислорода. В левой части 5 х 4 = 20 атомов кислорода в молекулах серной кислоты, а в правой 4 х 4 = 16 атомов кислорода в молекулах сульфата калия. Менять уже поставленные коэффициенты у этих веществ нельзя, иначе это вызовет ещё большее расхождение в количестве атомов.
И если на этом этапе ученик поймет, что недостающие в правой части уравнения 8 атомов водорода и 4 атома кислорода – это 4 молекулы воды, то он получит правильно составленное уравнение первой реакции:
Переходим ко второму уравнению, где газ с неприятным запахом, то есть сероводород, «сожгли в недостатке кислорода». При сжигании веществ в кислороде из большинства элементов получаются их оксиды: из водорода всегда образуется вода, а если соединение содержало атомы серы, то по умолчанию образуется диоксид серы SO2.
Но обратите внимание на слова «в недостатке кислорода», они никогда не будут написаны в заданиях ЕГЭ просто так! Они должны подсказать, что вместо диоксида серы образуется что-то другое. Если пока ещё не понятно, что именно, то внимательно читаем следующее предложение в условии задания – «образовавшееся твёрдое простое вещество…». Всё, теперь точно должно стать понятно, что это никакой не диоксид серы, а собственно сама сера:
Это тоже окислительно-восстановительный процесс, но здесь можно не составлять электронные уравнения, так как коэффициенты очевидны.
Давайте проанализируем изменение степеней окисления серы. Из сероводорода, где сера имеет степень окисления – 2, вместо диоксида серы SO2, в котором сера имеет степень окисления + 4, получается простое вещество сера со степенью окисления 0: всё правильно – из-за недостатка кислорода окисление серы происходит не очень глубоко.
Но всё равно странно видеть реакцию с кислородом, где вместо оксида получается простое вещество, не так ли? И именно поэтому данную реакцию очень любят составители билетов ЕГЭ, её можно встретить во многих заданиях, и далеко не везде будут столь явные подсказки. Так что лучше выучить эту реакцию наизусть!
На следующем этапе полученное простое вещество сера реагирует «при нагревании с концентрированной азотной кислотой». Также известно, что одно из полученных веществ – газ.
Это тоже окислительно-восстановительная реакция, так как концентрированная азотная кислота является сильным окислителем. Атом азота в ней имеет максимально возможную степень окисления + 5 и может только присоединять электроны, понижая степень окисления. При этом, являясь сильным окислителем, сама азотная кислота восстанавливается очень неглубоко, всего лишь до степени окисления + 4:
То есть образуется диоксид азота NO2 – это и есть тот самый газ, который упоминался в условии задания:
Заучите эту информацию наизусть: с чем бы ни реагировала концентрированная азотная кислота, продуктом её восстановления обязательно будет диоксид азота! Это так или иначе проявится в каком-либо из заданий ЕГЭ.
Если азотная кислота – окислитель, значит сера в данной реакции – восстановитель, она будет отдавать электроны, повышая свою степень окисления. Простое вещество сера со степенью окисления 0 может повысить степень окисления до + 4 или + 6. Так как концентрированная азотная кислота – очень сильный окислитель, то логичнее предположить, что сера окислится до степени окисления + 6:
Данной степени окисления серы соответствуют оксид серы (VI) SO3, серная кислота и её соли – сульфаты. Очевидно, что для нашей реакции подходит только серная кислота, так как для образования сульфатов в составе исходных веществ должны были быть атомы металлов, а оксид шестивалентной серы, даже если и образуется, всё равно в растворе превратится в ту же самую серную кислоту:
Да, у нас из одной кислоты получается другая, как бы странно на первый взгляд это не выглядело. Еще образуется вода, так как это тоже окислительно-восстановительная реакция в кислой среде, как первая реакция, но давайте опять предположим, что мы про неё забыли и сначала попробуем уравнять то, что получилось.
Сначала соединим вместе электронные уравнения:
Чтобы получить одинаковое количество отдаваемых и присоединяемых электронов, нужно первое уравнение умножить на 6:
И поставить коэффициент 6 перед молекулами азотной кислоты и диоксида азота:
Здесь сразу становится видно, что в левой части уравнения атомов водорода больше, чем в правой. Увеличивать количество атомов водорода за счёт коэффициентов перед молекулами серной кислоты мы не можем, так как коэффициент 1 для серной кислоты определяется электронным уравнением. Поэтому сразу вспоминаем аналогичную ситуацию с первым уравнением и добавляем молекулы воды, и сразу ставим перед ними коэффициент 2, чтобы уравнять количество атомов водорода:
Для проверки нужно посчитать атомы кислорода. В левой части уравнения 6 х 3 = 18 атомов кислорода в молекулах азотной кислоты. В правой части уравнения 6 х 2 = 12 атомов кислорода в молекулах диоксида азота, 4 атома кислорода в молекулах серной кислоты и 2 атома кислорода в молекулах воды: 12 + 4 + 2 = 18. Баланс по кислороду сошелся, значит уравнение третьей реакции составлено правильно!
Осталась последняя реакция, в которой выделившийся диоксид азота «поглотили избытком раствора гидроксида калия»:
На первый взгляд реакция кажется очень простой – взаимодействие кислотного оксида со щелочью, в котором должны получиться соль и вода. Но какая именно соль? Ведь солей азотсодержащих кислот со степенью окисления + 4 не существует; в нитритах – солях азотистой кислоты HNO2 – степень окисления азота + 3, а в нитратах – солях азотной кислоты HNO3 – степень окисления азота + 5.
Так что какую бы соль мы не выбрали, у нас получается, что азот меняет степень окисления. А где тогда второй участник окислительно-восстановительного процесса?
Здесь лучше запомнить следующий очень важный факт – щелочи никогда, ни при каких обстоятельствах не бывают окислителями или восстановителями, они могут только создавать среду или предоставлять ионы металлов для образования продуктов реакции. Знание этого факта сразу поможет понять, что диоксид азота является одновременно и окислителем и восстановителем! Это возможно, так как азот находится в промежуточной степени окисления + 4, которая может как понижаться, так и повышаться:
Такие реакции, в которых одно и то же вещество является одновременно окислителем и восстановителем, называются диспропорционирование.
Так что в данной реакции образуются сразу две азотсодержащие соли – нитрит и нитрат калия:
И здесь сразу очевидно, что в продукты реакции нужно записать еще воду, так как в левой части уравнения есть вещество, содержащее атомы водорода, а в правой его пока нет. Можно сразу расставить коэффициенты, в данном уравнении это сделать несложно:
Написание продуктов этой реакции значительно облегчится и в том случае, если ученик уже знает, что диоксид азота – это кислотный оксид сразу двух кислот: и азотистой и азотной. Тогда тоже несложно будет догадаться, что образуются две соли.
А вообще это ещё одна из реакций, которую очень любят составители заданий ЕГЭ, поэтому её лучше выучить наизусть. Кроме диоксида азота аналогичные реакции возможны для серы и йода; смысл их тот же самый – происходит диспропорционирование с образованием двух солей с разными степенями окисления центрального атома, при этом щелочь не является ни окислителем, ни восстановителем.
P.S. Если Вам понравился мой разбор задачи ЕГЭ и Вы хотите заказать столь же подробные решения других задач, пишите мне на электронную почту kkhimiya@internet.ru.
Для учеников, проживающих в моем городе (г. Прокопьевск, Кемеровская область), предлагаю репетиторство по подготовке к ЕГЭ по химии: стоимость одного урока продолжительностью 60 минут – от 700 рублей.
Рассмотрю предложения о сотрудничестве от учебных заведений и репетиторских агентств.