ЕГЭ · Химия · Качественные реакции и химический эксперимент
Качественные реакции на катионы
Каждый катион имеет «визитную карточку»: цвет пламени или характерный осадок. Учим наизусть — это чистые баллы.
🎯 ЕГЭ химия: задания 24, 25. №24 — качественные реакции и распознавание веществ; №25 — полимеры, применение веществ и химия в жизни
- ⚠Путают окраску осадков Fe(OH)₂ (зеленоватый) и Fe(OH)₃ (бурый)
- ⚠Забывают окрашивание пламени: Na — жёлтое, K — фиолетовое, Ca — кирпично-красное
- ⚠Смешивают белые осадки BaSO₄, AgCl, CaCO₃ без учёта реагента
Распознавание катионов
Задание 24: как подбирают реактив-различитель
Формулировка линии 24 звучит так: «установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти два вещества». Это не вопрос «какая реакция идёт», а вопрос о различии результатов.
Главное правило. Реактив годится только тогда, когда с двумя веществами он даёт разные наблюдаемые результаты. Вариантов «разного» три:
- • с одним осадок, с другим ничего;
- • с обоими осадки, но разного цвета;
- • с обоими осадки одного цвета, но один растворяется в избытке реактива, а другой нет.
Если реактив даёт с обоими веществами одно и то же — он не подходит, даже если реакции идут.
Пять реактивов, которыми решается почти вся линия:
NaOH (раствор) — осаждает гидроксиды. Цвет осадка различает катионы (голубой Cu(OH)₂, бурый Fe(OH)₃, зеленоватый Fe(OH)₂, белый Mg(OH)₂), а поведение в избытке различает амфотерные и неамфотерные: Al(OH)₃ и Zn(OH)₂ растворяются, Mg(OH)₂ нет.
NH₃·H₂O (избыток) — тоже осаждает гидроксиды, но растворяет другой набор: Zn(OH)₂ и Cu(OH)₂ уходят в аммиачный комплекс, а Al(OH)₃ и Mg(OH)₂ остаются осадком. Именно поэтому аммиак различает Mg²⁺ и Zn²⁺, где щёлочь бессильна.
AgNO₃ — осаждает галогениды разного цвета (AgCl белый, AgBr желтоватый, AgI жёлтый) и ничего не даёт с нитратами и сульфатами (AgNO₃ + Na₂SO₄ в разбавленном растворе осадка практически не даёт).
BaCl₂ или H₂SO₄ — осаждает сульфат-ион и ион бария: BaSO₄, белый, нерастворимый в кислотах.
Лакмус — различает кислоту и соль: в растворе кислоты он краснеет, в растворе нейтральной соли остаётся фиолетовым. Если в паре стоят «KCl и HCl» или «NaNO₃ и H₂SO₄», ответ почти наверняка лакмус.
Приём решения. Для каждой пары спросите: чем эти вещества отличаются? Разные катионы при одном анионе — работает реактив на катион (щёлочь, аммиак). Разные анионы при одном катионе — реактив на анион (AgNO₃, BaCl₂). Соль против кислоты — лакмус.
Откуда берётся цвет пламени и цвет осадка
Качественные реакции обычно заучивают таблицей. Но у двух главных признаков — цвета пламени и цвета осадка — есть объяснение, и оно делает таблицу осмысленной.
Окрашивание пламени. В пламени горелки атомы металла получают энергию, их электроны переходят на более высокие уровни, а возвращаясь обратно, испускают кванты. Энергия кванта равна разности уровней, а у каждого элемента эта разность своя — значит, своя длина волны и свой цвет. Литий даёт карминово-красное пламя, натрий — жёлтое, калий — фиолетовое, кальций — кирпично-красное, барий — зелёное, медь — зелёно-голубое.
Отсюда же и практические оговорки: жёлтое натриевое свечение перебивает все остальные цвета (натрий есть почти везде как примесь), поэтому фиолетовое пламя калия смотрят через синее стекло, которое гасит жёлтый.
Это прямое продолжение темы строения атома: линейчатый спектр возникает потому, что уровни энергии дискретны. По той же причине по спектру определяют состав звёзд.
Цвет осадка объясняется иначе — поглощением света ионами переходных металлов с незаполненным d-подуровнем. Поэтому окрашены соединения меди, железа, хрома, марганца, а соединения натрия, кальция и алюминия бесцветны. Это работающее правило: увидев в задании «белый осадок», ищите катион без d-электронов или с полностью заполненным подуровнем.
Опорные цвета, которые нужно знать наизусть:
- • Cu(OH)₂ — голубой осадок, при нагревании чернеет (переходит в CuO);
- • Fe(OH)₂ — зеленоватый, на воздухе буреет;
- • Fe(OH)₃ — бурый;
- • Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Mg(OH)₂ — белые, но первые два растворяются в избытке щёлочи (амфотерны), а гидроксид магния нет. Этой пробой их и различают;
- • ион NH₄⁺ узнают не по осадку: при нагревании со щёлочью выделяется аммиак с резким запахом, синящий влажную лакмусовую бумажку.
| Li⁺ | карминово-красное |
|---|---|
| Na⁺ | жёлтое (перебивает другие цвета) |
| K⁺ | фиолетовое (через синее стекло) |
| Ca²⁺ | кирпично-красное |
| Ba²⁺ | жёлто-зелёное |
| Cu²⁺ | зелёное |
| Cu²⁺ | Cu(OH)₂↓ голубой |
|---|---|
| Fe²⁺ | Fe(OH)₂↓ зеленоватый, буреет на воздухе |
| Fe³⁺ | Fe(OH)₃↓ бурый (ржаво-коричневый) |
| Al³⁺, Zn²⁺ | белый, растворяется в избытке щёлочи (амфотерность) |
| Mg²⁺ | белый Mg(OH)₂, в избытке не растворяется |
| Cu²⁺ | голубой Cu(OH)₂; в избытке щёлочи не растворяется, в избытке аммиака — растворяется, давая ярко-синий раствор |
|---|---|
| Fe²⁺ | зеленоватый Fe(OH)₂, на воздухе буреет, переходя в Fe(OH)₃ |
| Fe³⁺ | бурый Fe(OH)₃; ни в щёлочи, ни в аммиаке не растворяется |
| Mg²⁺ | белый Mg(OH)₂; не растворяется ни в избытке щёлочи, ни в аммиаке |
| Al³⁺ | белый Al(OH)₃; растворяется в избытке щёлочи (амфотерен), но не в аммиаке |
| Zn²⁺ | белый Zn(OH)₂; растворяется и в избытке щёлочи, и в избытке аммиака |
| Cr³⁺ | серо-зелёный Cr(OH)₃; растворяется в избытке щёлочи |
| NH₄⁺ | осадка нет, но при нагревании со щёлочью выделяется аммиак с резким запахом; влажная лакмусовая бумажка синеет |
Специфические реакции на катионы
• Fe³⁺ + роданид KSCN → кроваво-красное Fe(SCN)₃
• Fe²⁺ + K₃[Fe(CN)₆] → синий осадок (турнбулева синь)
• Fe³⁺ + K₄[Fe(CN)₆] → синий осадок (берлинская лазурь)
• NH₄⁺ + щёлочь при нагревании → запах аммиака NH₃ (синеет лакмус)
• Cu²⁺ + NH₃(изб) → ярко-синий комплекс
Поведение в избытке щёлочи различает амфотерные (Al, Zn — растворяются) и неамфотерные (Mg — нет) катионы. Ион NH₄⁺ распознают по запаху аммиака при нагревании со щёлочью.
Специфические реакции и цвет самих растворов
Кроме щелочей есть реактивы, дающие только на один катион яркий и ни с чем не спутываемый результат. Их немного, и они спрашиваются.
Fe³⁺ + роданид калия KSCN → кроваво-красное окрашивание Fe(SCN)₃. Реакция очень чувствительна: краснеет даже от следов железа(III), и на ней основана проверка воды на ржавчину.
Fe³⁺ + жёлтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] → берлинская лазурь, тёмно-синий осадок.
Fe²⁺ + красная кровяная соль K₃[Fe(CN)₆] → турнбулева синь, тоже тёмно-синий осадок. Пара этих реактивов позволяет различить два состояния железа, и путать их не надо: жёлтая соль на Fe³⁺, красная на Fe²⁺.
Ag⁺ + Cl⁻ → белый творожистый AgCl, темнеющий на свету и растворяющийся в аммиаке с образованием [Ag(NH₃)₂]Cl.
Ba²⁺ + SO₄²⁻ → белый BaSO₄, не растворяющийся ни в каких кислотах — это его главная примета.
Pb²⁺ + I⁻ → жёлтый PbI₂, который при нагревании растворяется, а при охлаждении выпадает красивыми золотистыми чешуйками.
Цвет самого раствора тоже подсказка, и иногда достаточно просто посмотреть:
- • голубой — соли меди(II);
- • жёлто-бурый — соли железа(III);
- • светло-зелёный — соли железа(II) и никеля(II);
- • зелёный или фиолетовый — соли хрома(III);
- • фиолетовый — перманганат;
- • оранжевый — дихромат, жёлтый — хромат.
Окрашивание пламени различает катионы, которые не дают осадков: литий — карминово-красное, натрий — жёлтое, калий — фиолетовое (смотреть через синее стекло, иначе жёлтый натрий всё перебьёт), кальций — кирпично-красное, барий — жёлто-зелёное, медь — зелёное.
Вопрос на проверку
Какой цвет имеет осадок гидроксида железа(III)?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Разбор примера
Разбор: определить катион по описанию опыта
К раствору неизвестной соли добавили щёлочь по каплям — выпал белый осадок. При дальнейшем добавлении щёлочи осадок растворился. К другой порции того же раствора добавили избыток аммиака — осадок выпал и не растворился. Определите катион и запишите уравнения.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Белый осадок гидроксида дают Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, а также Ca²⁺ и Ba²⁺ (хотя их гидроксиды заметно растворимы). Цвет сузил круг, но не решил задачу.
- 2. Шаг 2: Осадок растворился в избытке щёлочи — значит, гидроксид амфотерный. Это отсекает магний: Mg(OH)₂ в щёлочи не растворяется. Остаются алюминий и цинк.
- 3. Шаг 3: Осадок не растворился в избытке аммиака — а Zn(OH)₂ в аммиаке растворяется, образуя [Zn(NH₃)₄](OH)₂. Значит, цинк отпадает. Остаётся алюминий.
- 4. Шаг 4: Записываем уравнения. Осаждение: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl, сокращённо Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓.
- 5. Шаг 5: Растворение в избытке щёлочи: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Именно эта реакция и доказывает амфотерность.
- 6. Шаг 6: Поведение с аммиаком: AlCl₃ + 3NH₃·H₂O → Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl, и дальше ничего не происходит — аммиак слишком слабое основание, чтобы перевести алюминий в комплекс.
- 7. Шаг 7: Общий приём таких задач: каждое наблюдение отсекает часть кандидатов. Записывайте после каждого шага, кто остался, — и ответ получится однозначным. Именно так устроено и задание 31, только там надо записать уравнения всех наблюдавшихся превращений.
Ответ: Катион алюминия Al³⁺. AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]; с избытком аммиака осадок остаётся.
Разбор примера
Разбор задания 24: четыре пары и пять реактивов
Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, которым их можно различить: А) NaCl и BaCl₂; Б) CuCl₂ и Cu(NO₃)₂; В) KNO₃ и NaI; Г) MgSO₄ и ZnSO₄. Реактивы: 1) BaCl₂; 2) лакмус; 3) AgNO₃; 4) H₂SO₄; 5) NH₃·H₂O (изб.).
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Для каждой пары спрашиваем, чем вещества отличаются. А) Анион общий (Cl⁻), различаются катионы Na⁺ и Ba²⁺ — нужен реактив на катион бария.
- 2. Шаг 2: А) Барий узнают по сульфату: H₂SO₄ даёт с BaCl₂ белый осадок BaSO₄, а с NaCl ничего. Ответ 4. Реактив BaCl₂ (вариант 1) здесь бесполезен: он сам содержит барий и с обоими растворами ничего не даст.
- 3. Шаг 3: Б) CuCl₂ и Cu(NO₃)₂. Катион общий (Cu²⁺), различаются анионы Cl⁻ и NO₃⁻ — нужен реактив на хлорид-ион. AgNO₃ даёт с хлоридом белый творожистый AgCl, с нитратом ничего. Ответ 3. Щёлочь или аммиак здесь не годятся: с обоими растворами они дадут одинаковый голубой осадок Cu(OH)₂.
- 4. Шаг 4: В) KNO₃ и NaI. Снова различаются анионы. AgNO₃ даёт с иодидом жёлтый осадок AgI, с нитратом ничего. Ответ 3.
- 5. Шаг 5: Г) MgSO₄ и ZnSO₄. Анион общий, различаются катионы Mg²⁺ и Zn²⁺. Оба дают со щёлочью белый осадок, так что цвет не поможет. Но в избытке аммиака гидроксид цинка растворяется (уходит в аммиачный комплекс), а гидроксид магния остаётся. Ответ 5.
- 6. Шаг 6: Ответ АБВГ = 4335.
- 7. Шаг 7: Обратите внимание, что раствор NaOH в списке отсутствует, и это не случайно: со щёлочью пара Г не различается, оба осадка белые и оба не растворяются в её избытке. Именно различие между щёлочью и аммиаком здесь и проверяется — и это самая тонкая деталь линии 24.
Ответ: 4335
Разбор примера
Разбор: щёлочь или аммиак — что чем различает
Подберите реактив для каждой пары и объясните выбор: а) MgCl₂ и AlCl₃; б) AlCl₃ и ZnCl₂; в) AlCl₃ и CuCl₂; г) FeCl₃ и HCl.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: а) MgCl₂ и AlCl₃. Оба катиона дают со щёлочью белый осадок, но Al(OH)₃ амфотерен и в избытке щёлочи растворяется: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Mg(OH)₂ остаётся. Значит, годится NaOH в избытке. Аммиак не подойдёт: в нём не растворяется ни тот, ни другой.
- 2. Шаг 2: б) AlCl₃ и ZnCl₂. Теперь оба гидроксида амфотерны и оба растворяются в избытке щёлочи — она бессильна. Но в избытке аммиака растворяется только Zn(OH)₂ (образуя [Zn(NH₃)₄]²⁺), а Al(OH)₃ остаётся. Значит, годится NH₃·H₂O в избытке.
- 3. Шаг 3: Запомните эту пару различий, она закрывает половину заданий: щёлочь растворяет Al и Zn, аммиак растворяет Zn и Cu. Общий у двух списков только цинк, и это делает его «переходным» катионом, который различают именно аммиаком.
- 4. Шаг 4: в) AlCl₃ и CuCl₂. Здесь достаточно цвета: Al(OH)₃ белый, Cu(OH)₂ голубой. Годится обычный NaOH, избыток даже не нужен.
- 5. Шаг 5: г) FeCl₃ и HCl. Различаются не катионы металлов, а сама природа веществ: соль и кислота. NaOH даёт с FeCl₃ бурый осадок, а с соляной кислотой — только нейтрализацию без внешнего признака. Годится NaOH. Подошёл бы и лакмус: в кислоте он краснеет, в растворе FeCl₃ тоже краснеет из-за гидролиза по катиону — а вот это уже ловушка, и лакмус здесь ненадёжен.
- 6. Шаг 6: Важная оговорка про лакмус. Он различает кислоту и нейтральную соль (KCl, NaNO₃, CaCl₂). Но соли, гидролизующиеся по катиону (AlCl₃, FeCl₃, CuSO₄, ZnCl₂), тоже дают кислую реакцию среды, и с ними лакмус бесполезен.
- 7. Шаг 7: Сводка: цвет осадка различает катионы с разной окраской; избыток щёлочи — амфотерный от неамфотерного; избыток аммиака — цинк и медь от алюминия и магния; лакмус — кислоту от нейтральной соли.
Ответ: а) NaOH (изб.); б) NH₃·H₂O (изб.); в) NaOH (по цвету осадка); г) NaOH.
Разбор примера
Разбор: различить соли щелочных и щёлочноземельных металлов
В четырёх пробирках находятся растворы хлоридов: натрия, калия, кальция и бария. Предложите способ распознавания и объясните, почему обычные реактивы на катион здесь не работают.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Сначала поймём, почему задача необычная. Гидроксиды натрия и калия растворимы, поэтому со щёлочью осадка не будет вовсе. Гидроксиды кальция и бария растворимы ограниченно, и в разбавленных растворах осадок тоже не выпадет. Значит, привычный реактив — щёлочь — здесь бесполезен.
- 2. Шаг 2: Кальций и барий отделяем от щелочных металлов серной кислотой или сульфатом натрия: выпадут белые осадки CaSO₄ (малорастворим) и BaSO₄ (нерастворим). У натрия и калия никакого осадка не будет.
- 3. Шаг 3: Различить кальций и барий между собой можно карбонатом — оба дадут осадок, что не помогает, — или по растворимости сульфата: CaSO₄ заметно растворим и осадок из разбавленного раствора выпадает не сразу, BaSO₄ выпадает мгновенно и обильно.
- 4. Шаг 4: Надёжнее и проще — окрашивание пламени. Внесите каплю каждого раствора на прокалённой проволоке в бесцветное пламя: натрий даст жёлтое, калий фиолетовое, кальций кирпично-красное, барий жёлто-зелёное.
- 5. Шаг 5: Важная практическая деталь: жёлтое натриевое окрашивание очень интенсивно и перебивает все остальные цвета. Поэтому калий смотрят через синее стекло, которое гасит жёлтую линию натрия и оставляет видимой фиолетовую калиевую.
- 6. Шаг 6: Почему пламя вообще окрашивается. Энергия пламени переводит валентный электрон атома на более высокий уровень; возвращаясь, электрон испускает квант света строго определённой энергии, то есть определённого цвета. У каждого элемента свой набор уровней — отсюда и свой цвет. На этом же явлении построен спектральный анализ, которым открыли цезий, рубидий и гелий.
- 7. Шаг 7: Итог: для щелочных и щёлочноземельных металлов окрашивание пламени — основной метод, потому что их соли почти все растворимы и осадочных реакций не дают.
Ответ: Окрашивание пламени: натрий — жёлтое, калий — фиолетовое (через синее стекло), кальций — кирпично-красное, барий — жёлто-зелёное. Кальций и барий дополнительно отделяются серной кислотой.
Вопрос на проверку
Каким реактивом различить растворы сульфата магния и сульфата цинка?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №24 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №25 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №24 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.