Статья "Приключения трёх растворов"
материал для подготовки к егэ (гиа) по химии (10 класс)

«Приключения трёх растворов» (задания экспериментального районного тура ВСОШ по химии 2019)

1. Предисловие

Обычно уже на районных турах олимпиад по химии задания бывают весьма «заумные», со сложными математическими вычислениями. Это неудивительно, именно разные олимпиады должны выявить юных  звёздочек, не по возрасту углублённо изучающих предмет. Не стала исключением и экспериментальная часть районного тура ВСОШ в 2019 году для учащихся 10 класса. Да, задания по минеральной химии выходили за рамки не только что 9 класса, а вообще за рамки программы базовой школы. Очень и очень немногие учащиеся базовых школ могли решить эти задания. Но при этом никаких «экзотических» реакций не было! ПРОСТО ЭТОТ МАТЕРИАЛ ПРОХОДЯТ ТОЛЬКО В ПРОФИЛЬНЫХ ШКОЛАХ. А что же тогда тут «профильного», раз «заумных» реакций нет? По-моему, дело в том, что при одном часе химии в неделю в 10 классе непрофильной школы, при 2 часах в 8-9 классе при изучении базовой программы просто невозможно полностью охватить тот весьма широкий диапазон химических свойств, представленных в разных обличьях-ипостасях, какой надо знать ученику, изучающему химию углублённо. А ведь эта-то «углублёнка» совершенно необходима прежде всего даже не отличнику профильной школы, не участнику олимпиады, а выпускнику, желающему получить высокие баллы на ЕГЭ. «А причём здесь олимпиада и задания КИМов ЕГЭ? Ведь это же разные вещи?»- спросят меня выпускники. Да, верно. Но именно задания, которые приведу ниже, будут чрезвычайно похожи на задания №32 повышенного уровня сложности из КИМов 2017-2020 годов, требующие развёрнутого ответа в виде написанных уравнений химических процессов. И если «простому» ученику базовой школы уметь их решать и «широко мыслить по-химически» вовсе необязательно, то абитуриент должен без труда это делать, «видеть» и прогнозировать свойства веществ в разных ипостасях, исходя из описания эксперимента.  (Пока только описания, вопрос об экспериментальной части ЕГЭ по химии ещё не решен окончательно, но наверняка это будет рано или поздно). Что ж, давайте ознакомимся с двумя вариантами заданий, подробным их разбором и собственным уровнем знаний.

Возможна вариабельность ответов, при этом должен сохраняться смысл задания (кстати, на ЕГЭ это тоже допустимо!)

2. Задание №1

На каждое превращение надо написать по химическому уравнению. Давайте же разбираться вместе.

Эксперимент №1.

Фенолфталеин бывает малиновый в щелочной среде, это ясно из курса ещё 8 класса. Для начала надо помнить следующее: щелочную среду раствора дают не только растворённые в воде щёлочи!!! А тогда какие же  ещё вещества? Запомни: щелочную среду может ещё дать во-первых, раствор аммиака в воде, а во-вторых, соли, анион которых соответствует слабой кислоте (угольной, сернистой, сероводородной). В этом случае идёт гидролиз соли по аниону, характер среды щелочной. (Смотри мою памятку «Гидролиз»). Гипотеза: в пробирках №1 и №2 могут находиться растворы щелочей (NaOH, KOH, Ba(OH)2, LiOH), аммиака как бескислородного основания (NH3🢝H2O⮀NH4++OH-) и растворимые соли слабых кислот (карбонаты, сульфиды и сульфиты). Если ещё «подключить логику», то скорее всего  речь  идёт о  соли-карбонате (Na2CO3, K2CO3). Карбонаты всегда есть в школьной лаборатории, они не токсичны, в растворе сильно гидролизуются и дают сильнощелочную среду. Оставим пока рабочую гипотезу, посмотрим, что «подскажут» последующие эксперименты.

Эксперимент №2.

Гипотеза: голубые растворы дают растворимы соль меди со СТОК=+2. Поэтому голубой раствор может иметь формулу CuCl2, CuSO4, Cu(NO3)2. Смотрите дальше : в результате сливания растворов солей двухвалентной меди и раствора со щелочным характером среды выделяется газ. Какой? Могу предположить, что бесцветный газ без запаха – углекислый газ. А в пробирке № 1 находится раствор соли-карбоната. Наблюдаем в эксперименте №2 случай взаимного усиления гидролиза двух солей (ниже один из возможных вариантов решения).

Эксперимент №3.

Итак, допустим, что голубой раствор – CuCl2. При взаимодействии с содержимым пробирки №2 видим синий осадок, а это признаки качественной реакции на катион меди(II) со щёлочью 🢣в пробирке №1 находится раствор щёлочи, допустим,  NaOH.

Возможная реакция в эксперименте №3:

CuCl2+2KOH→Cu(OH)2↓+2KCl

Тогда вернемся к эксперименту №3 и предположим, что в пробирке №1 карбонат натрия:

Na2CO3+H2O⮀NaHCO3+NaOH (среда щелочная в результате гидролиза соли по аниону слабого основания)   NaOH→Na++OH-

Тогда судя по результатам эксперимента№3 в пробирке №2 может быть щёлочь, допустим, что едкое кали (гидроксид калия):

КОН→К++ОН- (идёт диссоциация сильного основания на катион металла и гидроксид-анион, что приводит тоже к щелочной среде раствора)/

Эксперимент №4.

Итак, выяснили, что голубой раствор – это растворимая соль двухвалентной меди, допустим, CuCl2(хлорид меди (II). Вот на этом-то эксперименте ученик, не знакомый с профильным курсом химии и запнётся! Ученик базовой школы, даже если он отличник, знает только то, что катион  Cu2+ даёт синий осадок со щелочами, чёрный осадок с сульфид-анионом, да голубые осадки нерастворимых солей с карбонат- и фосфат-анионами. А в задании бурый осадок. Может быть, голубой раствор не имеет отношения к катиону двухвалентной меди? А вот и нет. Трудность-то в том, что ученик базовой школы привык рассматривать растворимые соли меди (II) только в реакциях ионного обмена и  взаимодействие этих солей с металлами левее меди в ряду напряжений, всё! А вот ученик профильной школы,  или изучающий химию углублённо,  самостоятельно должен видеть ещё одну ипостась солей двухвалентной меди!!! Соли двухвалентной меди – мощные окислители за счёт как раз катиона Cu+2. До чего же они могут восстанавливаться? Не только до меди простого вещества, но и до соли меди (I), которая имеет бурый цвет. А тогда с каким это восстановителем пройдет процесс в эксперименте №4? Есть ОВР именно с такими признаками, какие описаны в данном эксперименте задания олимпиады, восстановитель здесь один из самых мощных – это соль –йодид. А йодоводородная кислота также очень сильный восстановитель. Этой кислоты нет в школьной лаборатории, а соли-йодиды есть. Предположим, что в пробирке №3 – йодид калия. Идёт специфическая ОВР: (Абитуриентам зубрить  процесс что с сульфатом, что с хлоридом двухвалентной меди !!!)

Белая взвесь йодида меди (I) , осадок простого вещества йода и частично растворённый йод в воде дадут взвесь характерного болотного цвета.

Эксперимент №5.

Итак, мы выяснили, что в пробирке №2 может быть щёлочь (допустили, что это гидроксид калия), а бурый раствор в эксперименте №4 это йод, продукт окисления соли-йодида. Йод как галоген растворяется в щелочах с образованием бесцветной смеси солей ( меняет СТОК только йод):

В итоге получится вместо оливковой взвеси беловатая муть, так как при «нужных» молярных соотношениях йода и щёлочи (их ещё называют эквимолярными, чтобы реагенты провзаимодействовали без остатка) будут бесцветные растворы солей. А мутность останется из-за не прореагировавшего со щёлочью CuI.

3. Задание №2

Эксперимент №1.

В принципе этот процесс не должен вызвать затруднений. Углевод сахарозу в составе сахарной пудры может обуглить только концентрированная серная кислота , она в пробирке № 1:

C12H22O11+2H2SO4(конц.)→11C+CO2↑+13H2O+2SO2↑

Эксперимент №2.

Здесь мы пока остановимся на гипотезе, смотри задание №1 , эксперимент №1. Малиновую окраску фенолфталеину может придать раствор аммиака, раствор щёлочи , раствор соли слабой кислоты (карбонат, сульфид, сульфит), гидролизующийся по аниону. Посмотрим, что подскажут прочие опыты.

Эксперимент №3.

Растворы голубого цвета имеют растворы солей меди (II)🢣 чёрный порошок – оксид меди (II). Идёт реакция:

H2SO4+CuO→CuSO4+H2O

Эксперимент №4

Вот этот-то процесс – как раз из профильного курса химии. Насыщенно-синий цвет имеют растворы медно-аммиачных комплексов, где катион двухвалентной меди выступает центральным атомом, а молекулы аммиака – лигандами. ( Смотри наш фильм-проект «Комплексные вещества», требуйте его для подготовки к ЕГЭ!!!) 🢣в пробирке №2 раствор аммиака, дающий щелочную среду.

CuSO4+4NH3→[Cu(NH3)4]SO4 (сульфат тетраамин меди (II))

Эксперимент №5

А что же в пробирке №3? На самом деле в химии мелочей, как и впрочем везде, не бывает. Посмотрим на формулировку задания. Сказано, что получается студенистый осадок. А прилагательное «студенистый» применительно к литературному описанию химического эксперимента нам «говорит» о том, что будет нерастворимое в воде основание. А какое нерастворимое основание голубого цвета?  Конечно же Cu(OH)2!

Значит, можно предположить, что в пробирке № 3 находится раствор щёлочи, например, гидроксида калия.

Возможен процесс разрушения медно-аммиачного комплекса, когда связывается центральный атом:

[Cu(NH3)4]+2KOH→Cu(OH)2↓+K2SO4+4NH3↑

Впрочем, если уж быть педантичными до конца, важно сделать ремарку к данному процессу – реакция возможна при добавлении горячего концентрированного раствора щёлочи, чтобы аммиак , поскольку он газ, уходил из сферы реакции. Почему?  Да потому что возможен обратный процесс получения комплекса Cu(OH)2+4NH3→[Cu(NH3)4](OH)2. (Это вещество называют реактивом Швейцера, оно способно растворять целлюлозу). 

4. Послесловие

Итак, ребята, вы ознакомились с подробным разбором заданий олимпиадного уровня. Что же тут в них «коварного-то»? Собственно, то, что все вещества преотлично вам знакомы из базового курса химии, они есть в любой школьной лаборатории. А вот взаимодействия между ними «завёрнуты» как-то непривычно, с таких позиций, какие в базовой школе не проходят непосредственно на уроках. (Исключая пару-тройку реакций из вариантов заданий). Отсюда вывод: надо знакомиться перед уже ЕГЭ с различными типажами-ипостасями химических свойств, не только классовыми свойствами! Таких типажей много, с ними должен вас знакомить учитель, репетитор, наставник. Самим вам трудно их «увидеть» и различить, нужна помощь взрослого, а вам помимо теоретической помощи и дополнительного  знакомства с новыми химическими экспериментами надо ежедневно понемногу, но систематически заниматься, зубрить процессы, выполнять сначала упражнения тестовой части КИМов ЕГЭ, а потом и замахнуться на задания повышенной сложности с развёрнутым ответом . Помните сказку про Зайца и Черепаху, как медлительная рептилия в отличие от самонадеянного Зайки маленькими, но упорными шагами первая пришла к победному финишу. Чего и вам, дорогие абитуриенты, желаю!