5. Генетическая связь между различными классами неорганических веществ

5.1. Общие представления

Задания по этой теме представлены в контрольной работе ЕГЭ на базовом и высоком уровне сложности. Успешное выполнение этих заданий возможно лишь в том случае, если учащимися будут усвоены свойства и способы получения неорганических веществ различных классов, а также возможности взаимного перехода соединений.

Генетическая связь между классами неорганических веществ может быть представлена следующей схемой:

Металл				Н еметалл
О сновный оксид		С оль		К ислотный оксид
Основание				Кислота

Однако следует учесть, что предложенная схема не отражает всех особенностей взаимосвязи между различными классами неорганических веществ, так как не все вещества можно получить прямым методом. Так, кислород непосредственно не взаимодействует с серебром, золотом, платиной, галогенами, о чем часто забывают школьники. Оксиды этих элементов получают косвенным путем. Например, оксид хлора(VII) Cl₂O₇ получают действием Р₂О₅ на хлорную кислоту:

2НСlO₄ + P₂O₅ = Cl₂O₇ + 2HPO₃

Взаимодействие азота с кислородом приводит к образованию несолеобразующего оксида азота(II) NO, остальные оксиды азота получают другими методами. Так, оксид азота(V) N₂O₅ получают способом, аналогичным способу получения Cl₂O₇, т.е. путем действия P₂O₅ на HNO₃:

HNO₃ + P₂O₅ = N₂O₅ + HPO₃.

Следует обратить внимание также на то, что не все основные и кислотные оксиды взаимодействуют с водой с образованием соответствующих гидроксидов (оснований или кислот). Так, чтобы получить гидроксиды неактивных и малоактивных металлов, оксид сначала следует перевести в соль путем его взаимодействия с кислотой, а затем на полученную соль подействовать раствором щелочи. Например, для получения гидроксида железа(II) необходимо осуществить реакции:

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O

FeCl₂ + 2KOH = Fe(OH)₂↓ + 2KCl

Аналогично, слабую нерастворимую кремневую кислоту нельзя получить при взаимодействии SiO₂ с водой. Сначала оксид кремния(IV) обрабатывают щелочью, получая растворимую соль - силикат, на который затем действуют кислотой:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ = H₂SiO₃↓ + Na₂SO₄

5.2. Примеры заданий по теме «Генетическая связь между различными классами неорганических веществ» и комментарии к их решению

Приведем сначала примеры заданий базового уровня сложности, которые проверяют знание генетической взаимосвязи неорганических веществ различных классов.

1. В схеме превращений

СaO Сa(OH)₂ СaSO₃

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	H2O и SO3
2)	H2O и K2SO3
3)	H2 и K2SO3
4)	КOH и SO3

Гидроксид кальция можно получить, добавив к оксиду кальция воду («гашение извести»):

СаО + Н₂О = Сa(OH)₂

При взаимодействии гидроксида кальция с SO₃ образуется сульфат кальция СаSO₄, но не сульфит кальция СаSO₃. Это - типичная ошибка учащихся! Сульфит кальция можно получить из гидроксида кальция при его взаимодействии с SO₂ или по обменной реакции с растворимым сульфитом - K₂SO₃:

Сa(OH)₂ + K₂SO₃ = СaSO₃↓ + 2КОН

Ответ: 2.

2. В схеме превращений

CuО X₁ X₂

веществом Х₂ является

1)	CuCl
2)	CuCl2
3)	CuOH
4)	Cu(OH)2

При взаимодействии оксида меди(II) CuO с соляной кислотой НCl образуется хлорид меди(II) CuCl₂:

CuО + 2HCl = CuCl₂ + H₂O.

Добавление гидроксида натрия к полученной соли приводит к образованию гидроксида меди(II) Cu(OH)₂:

CuCl₂ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + 2NaOH

Ответ: 4.

3. В схеме превращений

Fe X₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	FeCl3 и Fe(OH)2
2)	FeСl2 и Fe(OH)3
3)	FeСl2 и Fe(OH)2
4)	FeCl3 и Fe(OH)3

Выполняя это задание, следует помнить, что железо окисляется до степени окисления +2 под действием слабых окислителей (Н⁺, S. и др.), а до степени окисления +3 – под действием сильных окислителей (галогены - Cl₂, Br₂, азотная кислота, концентрированная серная кислота при нагревании). НCl – слабый окислитель за счет ионов Н⁺, поэтому в результате первого превращения образуется хлорид железа(II) FeCl₂, который при взаимодействии со щелочью дает гидроксид железа(II) Fe(OH)₂. Ответ: 2.

4. В схеме превращений

Fe FeCl₃ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	HCl и Fe(OH)2
2)	HCl и Fe(OH)3
3)	Cl2 и Fe(OH)2
4)	Cl2 и Fe(OH)3

Рассуждая, как и в предыдущем задании, делаем вывод, что железо окисляется до степени окисления +3 под действием Cl₂, но не НCl. Взаимодействие полученного в результате первой реакции хлорида железа(III) со щелочью приводит к образованию хлорида железа(III) Fe(OH)₃. Ответ: 4.

5. В схеме превращений

C X₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	CO и Na2CO3
2)	CO и NaHCO3
3)	CO2 и Na2CO3
4)	CO2 и NaHCO3

В избытке кислорода углерод сгорает с образованием углекислого газа СО₂. При взаимодействии СО₂ с избытком щелочи образуется средняя соль Na₂CO₃, а с недостатком щелочи – кислая соль NaHCO₃. Ответ: 4.

6. В схеме превращений

NO Х₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	NO2 и HNO2
2)	N2O3 и HNO2
3)	NO2 и HNO3
4)	N2O5 и HNO3

Оксид азота(II) легко окисляется кислородом до оксида азота(IV), который при растворении в воде в присутствии кислорода образует азотную кислоту. В отсутствии кислорода оксид азота(IV) при взаимодействии с водой диспропорционирует с образованием смеси азотистой НNO₂ и азотной HNO₃ кислот. Ответ: 3.

7. В схеме превращений

Р Х₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	P2O3 и NaPO3
2)	P2O5 и Na3PO4
3)	P2O3 и Na2HPO4
4)	P2O5 и NaH2PO4

Сгорая в избытке кислорода, фосфор образует оксид фосфора(V) P₂O₅, при добавлении к которому избытка щелочи образуется средняя соль Na₃PO₄. Кислые соли – гидрофосфат Na₂HPO₄ или дигидрофосфат NaH₂PO₄ – образуются в избытке оксида фосфора(V). Ответ: 2.

8. В схеме превращений

Н₂S Х₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	S и K2SO4
2)	SO2 и KHSO3
3)	SO3 и K2SO4
4)	SO2 и K2SO3

В недостатке кислорода сероводород сгорает с образованием серы S, а в избытке кислорода - с образованием оксида серы(IV) SO₂. При пропускании оксида серы (IV) через избыток щелочи образуется средняя соль – сульфит калия K₂SO₃. В случае избытка оксида серы(IV) образуется кислая соль KHSO₃. Ответ: 4.

9. В схеме превращений

NaCl(тв.) HCl CuCl₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	H2SO4конц. и CuO
2)	H2SO4разб. и Cu
3)	H2SO4конц. и CuSO4 р-р
4)	H2SO4разб. и Cu(OH)2

Хлороводород из твердого хлорида натрия получают, действуя на него концентрированной, но не разбавленной, серной кислотой при нагревании:

NaCl(тв.). + H₂SO₄(конц.) = HCl↑ + NaHSO₄

Для получения хлорида меди(II) можно использовать оксид или гидроксид меди(II). В случае использования раствора CuSO₄ хлорид меди(II) получить не удастся вследствие обратимости реакции. Ответ: 1

10. В схеме превращений

KI(тв.) X₁ X₂

веществами Х₁ и Х₂ соответственно являются

1)	I2 и FeI3
2)	I2 и FeI2
3)	HI и FeI3
4)	HI и FeI2

В отличие от предыдущего задания, при действии на йодид натрия концентрированной серной кислотой при нагревании галогеноводород, в данном случае - НI, не образуется, так как вследствие высокой восстановительной активности йодид-иона I‾ протекает окислительно-восстановительная реакция, в результате которой образуется I₂:

8KI(тв.) + 5H₂SO₄(конц.) = 4I₂ + H₂S + 4K₂SO₄ + 4H₂O

В отличие от Cl₂ и Br₂, I₂ обладает значительно меньшей окислительной активностью, поэтому он окисляет железо преимущественно до степени окисления +2, т.е. до FeI₂. Ответ: 2.

Задания высокого уровня сложности, проверяющие знание генетической взаимосвязи неорганических веществ различных классов (С2), как показывают результаты ЕГЭ, являются наиболее трудными из всех заданий контрольной работы ЕГЭ. Процент их выполнения самый низкий. В работах разных лет они имели различную формулировку. Предлагались задания, выполнение которых предусматривало написание уравнений реакций в соответствии с предложенной схемой (так называемые «цепочки превращений» веществ). Начиная с 2006 г. в работе стали использоваться задания, при выполнении которых требуется написать уравнения четырех возможных реакций между предложенными веществами. В условиях таких заданий отсутствует жестко заданная схема действий, что требует от учащихся применения творческого подхода и демонстрации высокого уровня познания свойств веществ различных классов.

В 2012 г. задание С2 будет представлено в двух форматах: в одних вариантах КИМ - в прежнем формате («Даны вещества…»), а в других - в новом, когда условие задания представляет собой описание конкретного химического эксперимента, ход которого экзаменуемый должен будет отразить посредством уравнений соответствующих реакций.

При подготовке к экзамену полезно предлагать учащимся задания высокого уровня сложности, проверяющие знание генетической взаимосвязи неорганических веществ различных классов, в разных форматах.

В «цепочках превращений» формулы (названия) веществ и неизвестные реагенты (Х₁, Х₂ и т.д.) могут обозначаться как исходные вещества или продукты, а также записываться над стрелочками, иногда вместе с указанием условий проведения реакции (избыток или недостаток реагента, температура, катализатор и т.п.). Для правильного написания последовательности уравнений реакций необходимо внимательно проанализировать состав, строение и свойства всех реагентов, определить характер изменений, происшедших с исходным веществом.

Следует также обратить внимание учащихся на то, что в некоторых случаях осуществить превращение одного вещества в другое можно несколькими способами, однако записать следует только одно уравнение реакции. Дополнительно записанные уравнения реакций не оцениваются!

В заданиях, требующих написать уравнения четырех возможных реакций между предложенными веществами, количество этих веществ может быть разным – и три, и четыре, и пять. Однако число уравнений реакций должно быть только четыре. Кроме того, в заданиях последних лет указано, что пары реагентов повторять нельзя. Например, ортофосфорная кислота может реагировать с гидроксидом натрия с образованием трех видов солей – нормальной (ортофосфата Na₃PO₄) и двух кислых (гидрофосфата Na₂HPO₄ и дигидрофосфата NaH₂PO₄), чему соответствует три уравнения реакций:

3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂O

2NaOH + H₃PO₄ = Na₂HPO₄ + 2H₂O

NaOH + H₃PO₄ = NaH₂PO₄ + H₂O

В бланк ответа следует записать только одно из этих уравнений! Как и в случае «цепочек превращений», дополнительно записанные уравнения реакций не оцениваются!

Для успешного выполнения задания необходимо проанализировать и учесть все свойства представленных в задании веществ, т.е. кислотно-основные, окислительно-восстановительные и специфические, присущие именно этому конкретному веществу.

Задание, требующее записать уравнения реакций, соответствующих описанию «мысленного» химического эксперимента, по своей сути является той же «цепочкой превращений», но представленной словесно, а не в виде схемы. Чтобы справиться с этим заданием, часто необходимо кроме химических свойств веществ знать также их физические свойства (агрегатное состояние, цвет, запах и т.д.).

Далее приведем примеры заданий высокого уровня сложности, проверяющие знание генетической взаимосвязи неорганических веществ различных классов (С2), в разных форматах.