«Методика решения задач ЕГЭ по химии»
(КИМ ЕГЭ № 31)
Учитель химии Нестеренко Н.В.
Задание 31 на ЕГЭ по химии (бывшее задание 37 «нового типа») содержит описание эксперимента, состоящего из последовательно проводимых химических реакций и лабораторных методов разделения продуктов реакций (мысленный эксперимент).
По моим наблюдениям, это задание вызывает очень большие сложности. В немалой степени это объясняется все более академическим характером преподавания химии в школах и на курсах, когда изучению особенностей работы в лаборатории и собственно проведению лабораторных экспериментов выделяется недостаточное количество внимания.
Выполнение задания «мысленного эксперимента» требует знания химических свойств веществ и их названий, условий проведения реакций и сопровождающих их изменений, а также понимания терминологии, используемой при описании опытов.
Предлагаю вашему вниманию примеры задания 31 (бывшего задания 37), с подробным разбором и анализом решения.
Раствор, полученный при взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой, выпарили и осадок прокалили. Газообразные продукты реакции разложения полностью поглощены водой, а над твердым остатком пропустили водород. Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение.
«Ключевые слова» — концентрированная азотная кислота и медь.
Медь — малоактивный металл, проявляет свойства восстановителя.
Окислительные свойства азотной кислоты связаны с азотом в степени окисления +5, поэтому при взаимодействии как с металлами, так и с другими восстановителями выделяется не водород, а вещество, содержащее азот в более низких степенях окисления; концентрированная азотная кислота растворяет малоактивные металлы и восстанавливается до NO2 (уравнение 1).
«Ключевые слова» — … осадок прокалили. Нитраты металлов, находящихся в ряду активности от магния до меди, разлагаются при нагревании на оксид металла, бурый газ и кислород (уравнение 2).
«Ключевые слова» — … пропустили водород. Восстановление оксидов металлов водородом — один из способов получения большого числа металлов (уравнение 3).
«Ключевые слова» — Газообразные продукты… поглощены водой…. При разложении нитрата меди выделяются NO2 и O2. Оксид азота (IV) является смешанным оксидом азотистой и азотной кислот, однако в присутствии кислорода в растворе образуется только азотная кислота (уравнение 4).
1)Сu + 4HNO3 (конц} = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ +2Н2O
2) 2Cu(NO3)2 = 2СuО + 4NO2↑ + O2↑
3) СuО + Н2 = Сu + Н2O
4) 4NO2 + O2+ 2Н2O = 4HNO3
Простое вещество, полученное при нагревании фосфата кальция с коксом и оксидом кремния, сплавили с металлическим кальцием. Продукт реакции обработали водой, а выделившийся газ собрали и пропустили через раствор соляной кислоты. Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение
«Ключевые слова» — … нагревании фосфата кальция с коксом и оксидом кремния … . Первое из описанных превращений — промышленный способ получения фосфора (уравнение 1).
«Ключевые слова» — Простое вещество … сплавили с кальцием.
Простое вещество, образовавшееся в первом превращении, — фосфор. Металлы (восстановители) взаимодействуют с неметаллами (окислителями) с образованием бинарных соединений (солей или оксидов) (уравнение 2).
«Ключевые слова» — Продукт … обработали водой …. При взаимодействии фосфида Са3Р2 с водой происходит гидролиз (уравнение 3) и образуются гидроксид кальция Са(ОН)2 и фоcфин РН3, газ с чесночным запахом.
«Ключевые слова» — … газ … раствор соляной кислоты. Фосфин, являясь аналогом аммиака, проявляет основные свойства и реагирует с кислотой с образованием соли фосфония РН4Сl (уравнение 4).
1) Са3(РO4)2 + 5С + 3SiO2 = 3CaSiO3 + 2Р + 5CO↑
2) 2Р + ЗСа = Са3Р2
3) Са3Р2 + 6Н2O = 3Са(ОН)2 + 2РН3↑
4) РН3 + НСl = РН4Сl
Осадок, полученный при взаимодействии растворов хлорида железа (III) и нитрата серебра, отфильтровали. Фильтрат обработали раствором едкого кали. Выпавший осадок бурого цвета отделили и прокалили. Полученное вещество при нагревании реагирует c алюминием с выделением тепла и света. Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение.
Ключевые слова: «… взаимодействии растворов хлорида железа (III) и нитрата серебра…». При взаимодействии двух растворимых солей протекает реакция ионного обмена, если в продуктах реакции есть малодиссоциирующее вещество (газ, осадок, вода и др.). При взаимодействии нитрата серебра и хлорида железа (III) выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра (уравнение 1).
Далее осадок отфильтровали. Фильтрование — способ разделения смесей, при котором нерастворимые в воде вещества не проходят через тонкую пористую перегородку (фильтр), а растворимые в воде вещества с растворителем (фильтрат) переходят в отдельную емкость.
При фильтровании данного в задании раствора в осадке остается нерастворимый в воде хлорид серебра, а в фильтрат уходит растворимая в воде соль — нитрат железа (III).
Далее, ключевые слова: «… фильтрат обработали раствором едкого кали.». При взаимодействии нитрата железа (III) с гидроксидом калия KOH протекает обменная реакция, с образованием нерастворимого в воде осадка — гидроксида железа (III)(реакция 2).
Далее, ключевые слова: «Выпавший осадок бурого цвета отделили и прокалили«. Гидроксид железа (III) — нерастворимое в воде основание. Как правило, нерастворимые основания при прокаливании разлагаются на оксид металла и воду (реакция 3).
Далее «Полученное вещество при нагревании реагирует c алюминием с выделением тепла и света«. Данное описание соответствует окислительно-восстановительной реакции между оксидом железа (III) и алюминием. При нагревании смеси этих соединений происходит экзотермическая реакция восстановления железа до простого вещества-металла, при этом теплота выделяется также в форме света. Восстановление металлов из оксидов с помощью алюминия называют алюмотермией.
1) FeCl3 + 3AgNO3 = 3AgCl + Fe(NO3)3
2) Fe(NO3)3 + 3KOH = Fe(OH)3 + 3KNO3
3) 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
4) Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
4. Вещество, полученное на катоде при электролизе расплава хлорида натрия, сожгли в кислороде. Полученный продукт последовательно обработали сернистым газом и раствором гидроксида бария. Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение.
Первая часть: «… при электролизе расплава хлорида натрия«. Электролиз — это химическая реакция, протекающая под действием тока. При электролизе расплавов солей на катоде происходит восстановление металлов до простых веществ, на аноде — окисление неметаллов до простых веществ (уравнение 1).
Далее, ключевые слова: «Вещество, полученное на катоде … сожгли в кислороде». При электролизе расплава хлорида натрия на катоде выделяется металлический натрий. При сжигании простое вещество натрий образует преимущественно пероксид (уравнение 2).
Ключевые слова: «Полученный продукт … обработали сернистым газом». Пероксид натрия, как и пероксид водорода, проявляет двойственные свойства, и может выступать и как окислитель, и как восстановитель. Сернистый газ SO2 — типичный восстановитель. При взаимодействии с сернистым газом кислород пероксида натрия выступает в качестве окислителя и восстанавливается до степени окисления -2 (уравнение 3). Подробнее про ОВР — в статье «Окислительно-восстановительные реакции».
Ключевые слова: « … Полученный продукт последовательно обработали сернистым газом и раствором гидроксида бария«. Сульфат натрия, полученный в предыдущей стадии, вступает в реакцию ионного обмена с гидроксидом бария с выпадением осадка сульфата бария (уравнение 4).
1) 2NaCl = 2Na + Cl2
2) 2Na + O2 = Na2O2
3) Na2O2 + SO2 = Na2SO4
4) Na2SO4 + Ba(OH)2 = NaOH + BaSO4
5. Продукты разложения хлорида аммония последовательно пропустили через нагретую трубку, содержащую оксид меди (II), а затем через склянку с оксидом фосфора (V). Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение.
Ключевые слова: «Продукты разложения хлорида аммония…». Хлорид аммония — соль, которая разлагается при нагревании твердой соли на газообразный аммиак и газ хлороводород (уравнение 1)
Далее, продукты разложения последовательно пропускают через нагретую трубку, содержащую оксид меди (II). Последовательно, значит, они реагируют по очереди. Оксид меди (II) — основный, при взаимодействии с кислотой HCl образует соль и воду (уравнение 2). Оксид меди (II) также проявляет окислительные свойства, при взаимодействии с аммиаком восстанавливается до простого вещества — меди, а аммиак окисляется также до простого вещества (уравнение 3). Подробнее про ОВР — в статье «Окислительно-восстановительные реакции».
Далее, продукты реакций 2 и 3 пропускают через емкость с оксидом фосфора (V). Анализируем возможность протекания химической реакции между веществами. Простое вещество медь химически малоактивно и не реагирует с кислотным оксидом фосфора. Простое вещество азот также химически малоактивно, с оксидом фосфора (V) не реагирует. Зато с кислотным оксидом фосфора (V) отлично реагируют пары воды с образованием орто-фосфорной кислоты (уравнение 4).
1) NH4Cl = NH3 + HCl
2) CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O
3) 3CuO + 2NH3 = 3Cu + N2 + 3H2O
4) 3H2O + P2O5 = 2H3PO4
6. К нерастворимой в воде соли белого цвета, которая встречается в природе в виде широко используемого в строительстве и архитектуре минерала, прилили раствор соляной кислоты, в результате соль растворилась и выделился газ, при пропускании которого через известковую воду выпал осадок белого цвета; осадок растворился при дальнейшем пропускании газа. При кипячении полученного раствора выпадает осадок. Напишите уравнения описанных реакций.
Анализ и решение.
Из школьного курса химии хорошо известно, что нерастворимой в воде солью белого цвета, которая встречается в природе в виде широко используемого в строительстве и архитектуре минерала является карбонат кальция CaCO3. Нерастворимые соли растворяются под действием более сильных кислот, в данном случае, соляной кислоты (уравнение 1).
Образующийся газ пропускают через известковую водуCa(OH)2. Углекислый газ — типичный кислотный оксид, который при взаимодействии с щелочью образует соль — карбонат кальция (уравнение 2). Далее осадок растворился при дальнейшем пропускании газа. Здесь рассматривается очень важное свойство: средние соли многоосновных кислот под действием избытка кислоты образуют более кислые соли. Карбонат кальция в избытке углекислого газа образует более кислую соль — гидрокарбонат кальция Ca(HCO3)2, который хорошо растворим в воде (уравнение 3).
Свойства кислых солей в значительной степени складываются из свойств образующих кислые соли соединений. Свойства гидрокарбоната кальция определяются свойствами образующих его соединений — угольной кислоты H2CO3 и карбоната кальция. Несложно вывести, что при кипячении гидрокарбонат будет разлагаться на карбонат кальция (раздагается при более высоких температурах, порядка 1200 градусов Цельсия), углекислый газ и воду (уравнение 4).
1) CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O
2) CO2 +Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O
3) CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2
4) Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2
7. Сульфид хрома (III) обработали водой, при этом выделился газ и осталось нерастворимое вещество. К этому веществу прибавили раствор едкого натра и пропустили газообразный хлор, при этом раствор приобрёл жёлтое окрашивание. Раствор подкислили серной кислотой, в результате окраска изменилась на оранжевую; через полученный раствор пропустили газ, выделившийся при обработке сульфида водой, и цвет раствора изменился на зелёный. Напишите уравнения описанных реакций.
Ключевые слова: «Сульфид хрома (III) обработали водой, при этом выделился газ и осталось нерастворимое вещество». Сульфид хрома (III) под действием воды разлагается на гидроксид и сероводород. Подробно реакции гидролиза таких соединений рассмотрены встатье «Гидролиз». (реакция 1)
Ключевые слова: «… прибавили раствор едкого натра и пропустили газообразный хлор, при этом раствор приобрёл жёлтое окрашивание». Под действием хлора в щелочной среде хром +3 окисляется до хрома +6. Хром +6 образует кислотный оксид и гидроксид, в растворе едкого натрия образует устойчивую соль желтого цвета — хромат натрия (реакция 2).
Далее,ключевые слова: «Раствор подкислили серной кислотой, в результате окраска изменилась на оранжевую». Соли-хроматы в кислой среде переходят в дихроматы. Желтый хромат натрия в кислой среде превращается в оранжевый дихромат натрия (реакция 3).
Далее: «.. через полученный раствор пропустили газ, выделившийся при обработке сульфида водой, и цвет раствора изменился на зелёный.». Дихромат натрия — сильный окислитель, при взаимодействии с сероводородом восстанавливается до трехвалентной соли хрома. Соединения хрома (III) — амфотерные, в кислой среде образуют соли. Соли хрома (III) окрашивают раствор в зеленый цвет (реакция 4).
1) Cr2S3 + 6H2O = 2Cr(OH)3 + 3H2S
2) 2Cr(OH)3 + 3Cl2 + 10NaOH = 2Na2CrO4 + 6NaCl + 8H2O
3) 2Na2CrO4 + H2SO4 = Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O.
4) Na2Cr2O7 + 3H2S + 4H2SO4 = 3S + Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + 7H2O
