Качественные задачи - 2

Рассмотрим второй, часто встречающийся на олимпиадах тип качественных химических задач.

2. Распознавание веществ, доказательство их качественного состава

В условии таких задач обычно говорится о неподписанных склянках, перепутанных этикетках и т.п., а целью задачи является нахождение способа распознания указанных веществ. Список возможных реактивов обычно ограничен - от одного-двух по выбору, до "только индикаторы" и до полного отсутствия каких либо дополнительных реактивов. Подобные задачи могут быть предложены и на экспериментальном туре, тогда они становятся экспериментальными задачами.

Вот достаточно простая задача, предложенная недавно на олимпиаде форума "Шаг в будущее - 2011":

Особенностью этой задачи является то, что протекание реакции может определяться порядком смешения реагентов. Построим таблицу возможных взаимодействий в зависимости от порядка смешения:

При добавлении по каплям раствора гидроксида натрия в избыток раствора хлорида цинка, достаточно быстро можно заметить образование осадка: ZnCl₂ + 2NaOH = Zn(OH)₂ + 2NaCl
Когда же хлорид цинка добавляют в избыток раствора щелочи, реакция идет с образованием тетрагидроксоцинката: ZnCl₂ + 4NaOH = Na₂[Zn(OH)₂] + 2NaCl
и осадок не выпадает.

Однако таблица и написанные уравнения реакции еще не дают ясного ответа на вопрос как провести анализ, это не план распознавания. План распознавания здесь будет состоять из одного пункта:

1. Нальем в отдельную пробирку один из растворов и начнем по каплям приливать к нему второй раствор, отмечая наблюдения.

- Если вскоре после добавления первых капель появляется осадок, то добавляемое вещество раствор NaOH, а налитое в пробирку - раствор ZnCl₂.
- Если же осадок начинает появляться только после добавления значительного количества раствора, то добавляемое вещество раствор ZnCl₂, а налитое в пробирку - раствор NaOH.

Чаще в подобных задачах дается более обширный список веществ:

Задача 2.2 (9 класс). В 5 склянках без этикеток находятся растворы следующих веществ: KOH, Na2CO3, HCl, Al2(SO4)3, KCl. a) Опишите, как распознать растворы этих веществ, не используя других химических реактивов (последовательность действий, наблюдения, выводы). б) Один из осадков, получаемых при взаимодействии этих растворов, растворяется в избытке одного из исходных веществ. Что это за осадок и как объяснить растворение осадка (уравнение реакции).

Решение подобных задач следует начинать с анализа физических свойств веществ: цвет, запах, растворимость. Чтобы это уверенно делать нужно изучить характерные цвета солей различных металлов, хотя бы самых распространенных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu). Характерные запахи могут иметь раствор аммиака и сероводородная вода, раствор йода, уксусной кислоты. Из-за сильного гидролиза заметным запахом будут обладать и растворы сульфидов, карбоната аммония. Растворимость поможет распознать вещества, если они даны в твердом состоянии, органические жидкости.

Но, как правило, распознание веществ только по физическим свойствам не считается полным решением задачи. Его желательно подтвердить характерными химическими реакциями. Если в условии задачи даны какие-либо дополнительные реактивы (среди них может быть вода, индикаторы, растворы каких либо веществ), анализируется возможность их взаимодействия с распознаваемыми веществами. Проще всего это делать в табличной форме, занося предполагаемые признаки реакций или их отсутствие в ячейки таблицы. Анализируя эти признаки можно составить план распознавания веществ.

Если же дополнительных реактивов нет, или реакции с ними не дают полного решения задачи, приходится анализировать возможность взаимодействия веществ между собой. Задача 2.2 - как раз такой случай. По физическим свойствам все предложенные растворы бесцветны и не имеют характерного запаха, дополнительных реактивов нет.

Решение подобных задач начинается с составления матрицы взаимодействий веществ между собой (параллельно записываются уравнения соответствующих реакций:

В ячейки матрицы сокращениями или условными обозначениями (стрелки) заносятся признаки протекания реакций - изменение цвета, образование осадков, их возможная растворимость в избытке одного из реактивов, выделение газа, появление запаха. Следует обратить внимание, что не всякая химическая реакция сопровождается заметным эффектом. Так, в ячейке KOH/HCl стоит прочерк: никаких видимых эффектов, кроме крайне незначительного теплового эффекта у этой реакции нет.

В строке "Итог" суммируются все возможные эффекты для данного вещества. Так для нашей задачи указано, что карбонат натрия должен в одном случае дать реакцию с выделением газа, и в другом - реакцию с одновременным выпадением осадка и выделением газа (это результат полного гидролиза при взаимодействии растворов карбоната натрия и сульфата алюминия:
Al₂(SO₄)₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄ + 3CO₂)

В этой задаче итоговая строка показывает, что все вещества отличаются между собой по числу и характеру эффектов. Это позволяет построить достаточно простой план распознавания:

1. В каждую из четырех пробирок нальем немного (1-2 мл) одного из четырех разных растворов. Добавим в каждую пробирку равный объем пятого раствора и запишем признаки протекания реакций.

- Сравним число и характер эффектов с итоговой строкой матрицы взаимодействий, и по совпадению определим пятое вещество. (Так, если ни в одной из четырех пробирок не было никаких признаков реакций, - пятый раствор - раствор KCl)
2. Повторим операцию для четырех оставшихся растворов: в три пробирки нальем немного трех разных растворов и испытаем четвертым, запишем признаки протекания реакций.

- С учетом ранее проведенной реакции четвертого вещества с пятым и тремя новыми определим четвертое вещество.
3. Повторим операцию для трех оставшихся растворов: в две пробирки нальем немного разных растворов и испытаем третьим,

- с учетом ранее проведенных реакций определим третье вещество.
4. Испытаем взаимодействие двух оставшихся веществ,

- с учетом ранее проведенных реакций определим эти вещества.

Это полный план распознавания, включающий в себя последовательное изучение взаимодействий всех веществ. Однако в реальной работе он может сильно сократиться в зависимости от характера задачи и последовательности распознавания веществ. Так если нам повезет, и на первом этапе будет обнаружен карбонат натрия, то одновременно с ним мы узнаем еще два вещества: то вещество, какое реагировало с ним, образуя газ - это HCl, а то, которое дало газ и осадок - это Al₂(SO₄)₃. На втором этапе используя уже найденное вещество, сульфат алюминия, как реактив, легко различить KOH и KCl. Т.е. реальный ход работы (если задача будет дана на экспериментальном туре) будет состоять из двух этапов.

Однако могут быть и более сложные задачи, где и полное изучение взаимодействий не приводит к полному решению. Тогда требуются дополнительные исследования. Это может быть зависимость образования осадка от порядка смешения реактивов (задача 2.1), растворение одного из полученных осадков в уже открытом реактиве, или его растворение при нагревании, или изменение цвета. Подсказку может дать и структура осадка: студенистый (Al(OH)₃), мелкокристаллический (BaSO₄), "творожистый" (AgCl)... Конечно, воспользоваться этими подсказками сможет тот, кто имеет определенную практическую подготовку.

Возможен и другой вид задач, где уже описаны все или некоторые реакции веществ и нужно по признакам этих реакций определить, в какой склянке находится каждое вещество:

Задача 2.3 (10 класс, муниц.). После занятия химического кружка восьмиклассников в лаборатории осталось пять колб с растворами. На первой колбе было написано "иодид калия", на второй - "карбонат калия", на третьей - "соляная кислота", на четвертой - "хлорид меди" и на пятой - "гидроксид бария". Десятиклассники Маша и Саша сразу увидели, что что-то здесь не так - колба с хлоридом меди была подписана неправильно. "Надо проверить и другие растворы" - решили друзья, и поспорили, кто это сделает быстрее. Маша взяла немного раствора из первой колбы, и прилила к ней раствор из второй. Выделился газ. Тогда Маша к раствору из первой колбы прилила раствор из третьей - выпал белый осадок. "Этого достаточно" - решила Маша и подошла к Саше. А Саша к этому времени уже налил немного растворов из четырех колб в четыре пробирки и прибавил к ним уже известный раствор хлорида меди. В одной пробирке у него раствор стал темно-коричневым и выпал желтый осадок, в другой был осадок синего цвета, еще в одной - зеленоватый, и только в одной - ничего не произошло. "Мне тоже все понятно!" - сказал он. А у восьмиклассников остались вопросы: а) Как Маша и Саша сразу поняли, что хлорид меди подписан неправильно? б) Какие реакции провела Маша? Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций. На основании ее опытов определите, в какой колбе находился какой раствор. в) Какие реакции провел Саша? Напишите уравнения и этих реакций. г) Есть ли среди проведенных реакций окислительно-восстановительные? Если да, укажите окислитель и восстановитель, напишите электронные уравнения.

Общий план решения подобных задач аналогичен предыдущему: нужно проанализировать физические и химические свойства указанных веществ, сравнить их с описанными в условии задачи, и на основании этого найти ответы на поставленные вопросы.

Здесь легко ответить на первый вопрос: раз не проводя химических реакций, школьники определили хлорид меди, значит дело в физических свойствах. Действительно, растворы всех веществ бесцветны, а разбавленный раствор хлорида меди(II) имеет голубую окраску, поэтому определить, в какой колбе он находился, не составляло труда.

Матрицу взаимодействий веществ можно представить таблицей:

Анализируя эксперимент Маши и возможные реакции остальных веществ, отмечаем, что реакция с выделением газа могла пройти только при смешении растворов K₂CO₃ и HCl, значит, в эти вещества находятся в первых двух колбах. Из них только карбонат калия может дать белый осадок с гидроксидом бария. Следовательно, в первой колбе - карбонат калия, во второй - соляная кислота, в третьей - гидроксид бария.

Хлорид меди не может быть в четвертой колбе - он был подписан неправильно, значит он в пятой колбе. А в четвертой - раствор иодида калия.

Эксперимент Саши показывает, что для распознания других веществ можно использовать уже найденное, здесь - раствор хлорида меди(II). Анализируя его возможные реакции с другими растворами, видим, что при этом будут наблюдаться различные эффекты:
2CuCl₂ + 4KI = 2CuI↓ + 4KCl + I₂; Иод придает раствору бурый цвет, осадок CuI белого цвета, но из-за поглощенного иода кажется желтым,
2CuCl₂ +3K₂CO₃ + 2H₂O = (CuOH)₂CO₃+ 4KCl +2KHCO₃; зеленоватый осадок основного карбоната меди,
CuCl₂ + Ba(OH)₂ = Cu(OH)₂↓ + BaCl₂; синий осадок гидроксида меди.

Задачи на распознавание могут быть предложены и для органических веществ. Здесь, как правило даются дополнительные реактивы:

Задача 2.4 (11 класс, обл., эксп.) В выданных вам пронумерованных пробирках находятся вещества: алкан, хлоралкан, уксусная кислота, глицерин, этанол. (часть веществ в виде растворов). В качестве реактивов выданы: медь (проволока), вода, растворы гидроксида натрия и сульфата меди. По физическим и химическим свойствам распознайте предложенные вещества. В отчете приведите план определения, наблюдения, уравнения реакций.

Здесь определению веществ также поможет знание их физических свойств. Так, добавив к пробам всех пяти веществ воду, можно легко распознать нерастворимые в воде алкан (легче воды, органический слой сверху) и хлоралкан (тяжелее воды). Из трех оставшихся веществ этанол и уксусная кислота имеют достаточно характерные запахи.

Поскольку задача требует доказательства веществ и химическими способами, можно использовать такой реактив как гидроксид меди, который будет себя по разному вести по отношению к спирту, глицерину и уксусной кислоте. К химическим методам можно отнести и пробу Бейльштейна на галогены: смоченную веществом медную проволочку вносят в пламя спиртовки, наблюдая при наличии галогенов зеленое окрашивание пламени.

Медную проволочку предлагалось использовать и для обнаружения спирта: нагретая окисленная проволочка при опускании в спирт должна стать розовой. Однако здесь похожий эффект можно ожидать и от уксусной кислоты, и от глицерина.

На примере этой задачи можно отметить, что не всякое химическое свойство вещества можно реально использовать для его определения. Так, хлоралканы реагируют с водными растворами щелочей, но реакция идет медленно, заметить внешние признаки ее протекания будет достаточно сложно. Тоже можно сказать и о реакции этерификации (уксусная кислота и этанол) - если вещества даны в виде растворов признаков ее протекания можно и не заметить.

В полном объеме задачи указанного типа не используются в заданиях ЕГЭ и ГИА-9 класса. Но вопросы, посвященные знанию важнейших качественных реакций неорганических и органических веществ есть в части А и части Б этих экзаменов. Поэтому осваивая решения олимпиадных задач, вы одновременно готовите себя и к итоговой аттестации. Желаю удачи!