Решаем качественные задачи

Качественные химические задачи - это задачи, в которых количественные характеристики отсутствуют вообще, или они носят вспомогательный характер. Существуют различные типы качественных задач:
1. Объяснение наблюдаемых или описанных явлений;
2. Распознавание веществ, доказательство их качественного состава.
3. Разделение смесей, очистка от примесей.
4. Получение веществ.
5. Отнесение веществ или явлений к определенным типам и классам, классификация.

Решение качественных задач предполагает использование определений, формулировок законов, написания и анализа химических формул и уравнений реакций, зарисовку приборов. Качественные задачи могут быть элементами комбинированных расчетных задач, а также составной частью задач, предлагаемых на экспериментальном туре олимпиады.

Из всего многообразия качественных задач остановимся, прежде всего, на первом типе.

1. Объяснение наблюдаемых или описанных явлений

Объяснение химических явлений требует, как правило, написания уравнений реакций. Задача осложняется тем, что вещества, участвующие в явлениях названы не все или вообще не названы. Таким образом, на первый план выходит определение неизвестных веществ и химических элементов по отдельным свойствам и признакам протекающих реакций.

Условия таких задач могут быть сформулированы в виде записи неполных схем реакций, например:

Для решения такой задачи нужно внимательно проанализировать эти схемы, постараться найти что-то знакомое, догадаться. Конечно, такая догадка не возникает на пустом месте. Она придет тем легче, чем больше свойств веществ и признаков реакций вы знаете.
Иногда, анализируя схемы, можно найти в них подсказку, облегчающую решение задачи. Здесь четыре первые схемы не могут дать существенной подсказки. Можно, например, решить, что Х это некий металл, способный реагировать со щелочами, типа цинка.
Но пятая схема несет новую информацию - судя по продуктам реакции, в составе Х может быть только водород (обязательно), кислород и сера. Мысль о том, что Х - это водород, опровергается реакцией со щелочью.
В итоге приходим к правильному выводу, что X - это сероводород.

Иногда схемы отдельных реакций соединяются в цепочку превращений, линейную или разветвленную, или в еще более сложную структуру:

Задача 2 (9 класс). На схеме показаны превращения соединений химического элемента X. Известно также, что соединение D, присутствующее на схеме, в природе образует минерал "известняк". а) Определите элемент X и назовите вещества, обозначенные буквами, напишите уравнения реакций. б) Есть ли среди этих реакций окислительно-восстановительная? Если да, укажите для нее окислитель и восстановитель, напишите электронные уравнения.

Эта задача - пример того, что иногда подсказка может крыться не только в схемах, но и в тексте. Здесь эта подсказка заключена в слове "известняк". Знание важнейших минералов позволит вам понять, что схема относится к химии кальция, и постепенно расшифровать ее полностью.

И, наконец, такая задача может быть полностью представлена в текстовой форме:

Задача 3 (11 класс, обл.). В 1928 г. английский ученый Руфф получил бесцветный газ А, сжижающийся при сильном охлаждении в прозрачную, легко подвижную жидкость. Соединение А реагирует с водородом со вспышкой, а с водяным паром - только при поджигании искровым разрядом. В обеих реакциях образуется газообразное при обычных условиях вещество B, которое легко ассоциирует в жидком состоянии. Плотность его мономера по гелию равна пяти. Продуктом реакции газа А с водяным паром, кроме B, является смесь газов D и C. Эквимолярная смесь газов D и C при охлаждении превращается в синюю жидкость E, застывающую в бледно-голубую массу. Известно, что при контакте D с воздухом появляется окраска, которая постепенно исчезает при охлаждении смеси. 1) Установите формулы веществ, учтя, что вещества C, D, Е оксиды одного элемента X. 2) Напишите уравнения реакций всех описанных в задаче превращений. 3) Объясните способность вещества B к ассоциации.

Объемный текст с большим числом обозначений веществ, описаний свойств, множество другой разнородной информации способны привести решающего в состояние ступора. Первое, что можно посоветовать при решении такого вида задач - преобразовать их из текстовой формы в схематическую, вынести на эти схемы основную информацию текста. Это помогает лучше понять содержащуюся в тексте информацию, найти необходимые подсказки. Оказывается, всю задачу можно уложить в 4 строчки:

A_г + H₂ => B_г …
A + H₂O (искра)=> B_г + D_г + C_г
D_г + C_г => E_{ж, голуб, син. крист}
D_г + воздух(O₂?) => (окраска) (охл)=> (бесцв)

Подсказками служит то, что C, D, Е - оксиды одного элемента X. Это приводит к мысли, что A - соединение элементов X и Y, а B - водородное соединение элемента Y. Одной из подсказок является и количественная характеристика - плотность по гелию. Молекулярная масса В (M_r=20) позволяет найти элемент Y = F (фтор). Схема постепенно конкретизируется:

XF_a(г) + H₂ => HF_(г) + …
XF_a(г) + H₂O (искра)=> HF_(г) + XO_b(г) + XO_c(г)
XO_b(г) + XO_c(г) => XO_{d(ж, голуб, син. крист)}
XO_c(г) + воздух(O₂?) => XO_{e(г, окраска)} (охл)=> (бесцв)

Многочисленность оксидов, их окраски, агрегатное состояние, поведение одного из них на воздухе позволяют догадаться, что элемент X - это азот, а соединение А - фторид азота NF₃.

Нередки подобные задачи и по органической химии, где подсказками могут служить брутто-формулы веществ, а целью - определение их строения:

Задача 4 (11 класс, обл.). Определите строение вещества С8Н6 (А), если известно, что оно обесцвечивает бромную воду и реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. С водой в присутствии солей ртути оно образует соединение С8Н8О (Б), которое присоединяет водород, образуя С8Н10О (В). При кипячении Б с раствором перманганата калия оно превращается в С7Н6О2 (Г), которое при взаимодействии с этиловым спиртом образует С9Н10О2 (Д). Вещество А также легко присоединяет водород, образуя С8Н10 (Е), которое при действии смеси азотной и серной кислот дает смесь веществ, имеющих одинаковый состав С8Н9NО2 (Ж). Напишите уравнения всех указанных реакций и назовите их продукты. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции вещества Б с перманганатом калия в сернокислой среде, используя метод электронно-ионных уравнений.

Первый этап решения этой задачи аналогичен решению задачи предыдущей, только превращений здесь описано больше. Человеку, серьезно изучавшему органическую химию, многое скажут и используемые реагенты, и условия реакций, и молекулярные формулы веществ.

Простое сравнение молекулярных формул исходных веществ и продуктов способно подсказать сущность реакции. Так, "вычитая" из формулы вещества Б формулу вещества А, легко понять, что это превращение - реакция гидратации, сравнивая Б и Г, видим, что произошло отщепление одного атома углерода (в данных условиях в виде углекислого газа), а сравнение Г и Д наводит на мысль о реакции этерификации и образовании этилового эфира кислоты Г.

При определении возможного строения органических соединений полезным бывает определение его ненасыщенности: k = (2n+2-m)/2, где n - число атомов углерода, а m - число атомов водорода или других одновалентных заместителей (кислород не учитывается). Каждая единица ненасыщенности может реализоваться в структуре как цикл или π-связь. Для исследуемых веществ ненасыщенность равна:
k(С₈Н₆) = (16+2-6)/2 = 6; k(С₈Н₁₀) = (16+2-10)/2 = 4.

Большая степень ненасыщенности обычно свидетельствует о наличии в структуре ароматического кольца (1 цикл + 3 π-связи). Это позволяет предположить для вещества А строение фенилацетилена C₆Н₅-C≡CH, а для вещества Е - этилбензола: C₆Н₅-CH₂-CH₃ и постепенно разобраться в остальных веществах и реакциях.

В заключение нужно отметить, что качественные задачи этого типа встречаются не только в заданиях олимпиад, но и в заданиях государственной итоговой аттестации выпускников 9-х и 11-х классов. Так к задачам 1-го типа можно отнести задание С3 ГИА-9 по химии, задания С-3 и новый тип заданий С2 ЕГЭ по химии, например такое:

ЕГЭ-2012, С2 (составлено по аналогии с демо-версией). В разбавленную азотную кислоту добавили избыток металла розового цвета. При этом образовался голубой раствор и бесцветный газ - оксид азота(II). Полученный раствор разделили на две части и к одной из них добавили раствор карбоната натрия. При этом выпал зеленый осадок, который отфильтровали и высушили. При прокаливании этого осадка был получен порошок черного цвета, выделялись пары воды и еще одно газообразное вещество. Ко второй части голубого раствора добавили немного раствора иодида калия. При этом наблюдали выпадение осадка, а раствор окрасился в бурый цвет. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Отличие этого задания от олимпиадных задач, рассмотренных выше лишь в том, что нет буквенных обозначений веществ. Поэтому, возможно их придется вводить самостоятельно, составляя схемы реакций, описанных в задаче.

А вот один из примеров реальных заданий для выпускников 9-го класса:

ГИА-9-2011, С3 Для установления качественного состава неизвестного вещества школьникам была выдана соль металла, который входит в состав метеоритов и обладает ярко выраженными магнитными свойствами.  Коричневые кристаллы этой соли ученики растворили в воде, затем полученный раствор жёлто-коричневого цвета разлили в две пробирки. В одну из них добавили раствор гидроксида калия, при этом образовался осадок бурого цвета. В другую прилили раствор нитрата серебра, в результате чего выпал белый "творожистый" осадок.  Запишите химическую формулу и название неизвестной соли. Составьте два молекулярных уравнения реакций, которые были проведены в процессе ее распознавания.

Таким образом, умение решать олимпиадные задачи поможет вам и на этапе государственной итоговое аттестации по химии. Желаю удачи!