Признаки протекания химических реакций

Реакция ионного обмена между двумя растворами идёт до конца только в трёх случаях — их называют условиями Бертолле. Первое: образуется осадок (нерастворимое вещество). Второе: выделяется газ. Третье: образуется вода или другой слабый электролит. Если ни одно из условий не выполнено, ионы в растворе просто «перемешались» и никакой реакции не произошло — внешних признаков не будет. Поэтому первый шаг в задании 12 всегда одинаковый: мысленно поменять партнёров местами и посмотреть на полученные продукты. CuCl₂ и NaOH дают Cu(OH)₂ и NaCl. Гидроксид меди по таблице растворимости нерастворим — значит будет осадок, и это голубой осадок. Na₂CO₃ и HCl дают NaCl, H₂O и CO₂ — значит выделится газ. А вот NaCl и KNO₃ дадут NaNO₃ и KCl, обе соли растворимы, и признаков не будет вовсе. Второй шаг — вспомнить конкретный цвет, потому что вариантов «выпадение осадка» в задании обычно несколько и различаются они именно цветом.

Химическая реакция — это превращение одних веществ в другие. Но увидеть превращение как таковое нельзя: атомы и молекулы невидимы. Видно только следствие — то, что новое вещество отличается от старого по какому-то наблюдаемому свойству.

Поэтому в химии есть понятие признака реакции: наблюдаемое изменение, по которому судят, что превращение произошло. Признаков всего пять, и список стоит выучить целиком.

1. Выпадение осадка. Образовавшееся вещество нерастворимо и выходит из раствора твёрдой взвесью. Самый частый признак в заданиях 12 и 23.

2. Растворение осадка. Обратная картина: было мутно, стало прозрачно. Так ведёт себя гидроксид алюминия в избытке щёлочи и карбонат кальция в кислоте.

3. Выделение газа. Раствор вскипает, поднимаются пузырьки. Углекислый газ при действии кислоты на карбонат, сернистый — на сульфит, аммиак — при нагревании соли аммония со щёлочью.

4. Изменение цвета. Меняется окраска раствора или твёрдого вещества. Раствор соли меди голубой, соли железа(III) — жёлто-бурый; фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается восстановителем; индикатор меняет цвет.

5. Выделение или поглощение теплоты (и света). Пробирка нагревается или охлаждается, вещество горит.

Теперь — важное различение, за которое на экзамене снимают баллы. Признак — это то, что видно. Вывод — это то, что мы из увиденного заключаем.

«Выпал голубой студенистый осадок» — признак. «Образовался гидроксид меди(II)» — вывод. «Прошла реакция обмена» — тоже вывод, причём двойной: мы сначала опознали вещество, потом классифицировали реакцию.

В строке «наблюдаемые признаки» пишут первое, а не второе. Формулировки «образовалась вода», «выделилась теплота», «ионы соединились» экспертом не засчитываются: воду в водном растворе не увидеть, нагрев измеряют, а не наблюдают, ионы невидимы.

И отдельно о физических явлениях, которые за реакцию принимают по ошибке. Растворение сахара в воде, испарение воды, плавление льда, измельчение мела — здесь новых веществ не образуется, значит это не химические реакции, сколько бы изменений ни было видно. Признак химической реакции — именно появление нового вещества, и внешние изменения ценны лишь как свидетельство этого.

В задании 12 признак почти всегда сводится к цвету осадка, поэтому разберём, какие цвета бывают и откуда они берутся.

Окраска соединения в школьном курсе почти всегда связана с катионом переходного металла. Ионы щелочных и щёлочноземельных металлов, алюминия, цинка, магния бесцветны, и их соединения — белые. Ионы меди, железа, марганца, хрома, никеля окрашены, и они задают цвет всему веществу.

Голубой — гидроксид меди(II) Cu(OH)₂, студенистый осадок. Растворы солей меди(II) тоже голубые, но осадок отличается от раствора тем, что мутит его и оседает. Называть Cu(OH)₂ синим не следует: синий — это раствор медного купороса, а осадок именно голубой.

Бурый (красно-бурый) — гидроксид железа(III) Fe(OH)₃. Цвет знаком каждому по ржавчине, и не случайно: ржавчина и есть гидратированный оксид железа(III).

Зеленоватый — гидроксид железа(II) Fe(OH)₂. Его особенность: на воздухе он буреет, окисляясь до Fe(OH)₃. Это изменение во времени само по себе признак и различает соли железа(II) и железа(III).

Белые — все остальные школьные осадки: Mg(OH)₂, Al(OH)₃, Zn(OH)₂, BaSO₄, CaCO₃, BaCO₃, AgCl, Ca₃(PO₄)₂, H₂SiO₃. Различить их по виду нельзя, и это важное обстоятельство: если в задании 12 два варианта дают белый осадок, различать придётся не цветом, а поведением.

Несколько уточняющих характеристик, которые эксперт засчитывает и которые полезно помнить:

• • AgCl — белый творожистый; AgBr — бледно-жёлтый; AgI — жёлтый. В этом ряду окраска нарастает, и этим галогениды различают.
• • H₂SiO₃ — белый студенистый, похож на желе.
• • BaSO₄ — белый и, в отличие от карбоната бария, не растворяется в кислотах; это и есть способ их различить.
• • Al(OH)₃ и Zn(OH)₂ — белые и растворяются в избытке щёлочи, потому что амфотерны. Mg(OH)₂ и Cu(OH)₂ не растворяются. Ещё один способ различить белые осадки.

Цвет растворов тоже бывает признаком: голубой у солей меди(II), жёлто-бурый у солей железа(III), светло-зелёный у солей железа(II), малиново-фиолетовый у перманганата калия. Обесцвечивание фиолетового раствора перманганата — стандартный признак присутствия восстановителя.

Формат линии 12 постоянен: три пары реагирующих веществ под буквами А, Б, В и четыре признака под цифрами. К каждой букве надо подобрать цифру; один признак остаётся лишним. Ответ — три цифры подряд в порядке А, Б, В. Один первичный балл.

Шаг 1. Для каждой пары напишите уравнение реакции. Не «прикиньте», а именно напишите: без формулы продукта цвет угадать невозможно. Все пары в этом задании — реакции обмена, и продукт получается перестановкой ионов.

Шаг 2. Определите, какой продукт выходит из раствора. Смотрите по таблице растворимости: если один из двух возможных продуктов нерастворим, он и выпадет осадком. Если образуется угольная или сернистая кислота — она распадётся, и выделится газ.

Шаг 3. Назовите цвет. Голубой — медь(II), бурый — железо(III), зеленоватый — железо(II), всё остальное белое.

Шаг 4. Сопоставьте с перечнем признаков и проверьте, что лишним остался ровно один. Это встроенная самопроверка: если у вас два признака подошли к одной букве или один признак к двум буквам — где-то ошибка.

Типичные ловушки линии 12.

Ловушка «реакция не идёт». Иногда среди пар есть такая, где оба возможных продукта растворимы: например, NaCl и KNO₃. Признак для неё — отсутствие изменений, и в перечне обычно есть формулировка «видимых изменений не происходит».

Ловушка двух белых осадков. Если и Б, и В дают белый осадок, а в перечне «выпадение белого осадка» стоит один раз, значит одно из двух ваших уравнений неверно — перепроверьте растворимость.

Ловушка газа. Газ в реакции обмена дают только карбонаты и гидрокарбонаты (CO₂), сульфиты (SO₂), сульфиды (H₂S) при действии сильной кислоты и соли аммония при нагревании со щёлочью (NH₃). Если ни одного из этих веществ в паре нет, признака «выделение газа» быть не может.

Ловушка нейтрализации. Кислота со щёлочью реагирует, но признака нет: образуется вода, раствор остаётся прозрачным. Без индикатора это выглядит так, будто ничего не произошло.

Выделение газа — второй по частоте признак задания 12, и он подчиняется простому правилу, которое стоит разобрать до причины.

В реакции обмена газ появляется не сам по себе, а потому, что образующееся вещество неустойчиво и распадается. Механизм всегда один: сильная кислота вытесняет из соли слабую, а слабая кислота тут же разваливается на воду и газ.

Угольная кислота. Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃, но H₂CO₃ существовать не может и немедленно распадается: H₂CO₃ = H₂O + CO₂↑. Поэтому итоговое уравнение записывают сразу с водой и газом: Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Наблюдается вскипание, выделяется бесцветный газ без запаха. Так же ведут себя все карбонаты и гидрокарбонаты — мел, мрамор, сода, питьевая сода.

Сернистая кислота. K₂SO₃ + 2HCl = 2KCl + H₂O + SO₂↑. Газ бесцветный, с резким удушливым запахом. Именно запах отличает сульфит от карбоната: внешне вскипание выглядит одинаково.

Сероводород. Na₂S + 2HCl = 2NaCl + H₂S↑. Здесь сероводород сам является газом и уходит из раствора; запах у него резкий, характерный, знакомый по тухлым яйцам.

Аммиак. NH₄Cl + NaOH = NaCl + NH₃↑ + H₂O — единственный случай в этом списке, где газ выделяется не с кислотой, а со щёлочью, и только при нагревании. Признак: резкий запах и посинение влажной красной лакмусовой бумажки, поднесённой к отверстию пробирки.

Чего в этом списке нет. Хлориды, сульфаты, нитраты, фосфаты, силикаты газа с кислотой не дают: соответствующие кислоты либо сильные, либо устойчивые, либо нерастворимые. Поэтому, увидев пару «NaCl и H₂SO₄» или «BaCl₂ и HNO₃», признак «выделение газа» можно отбросить не задумываясь.

Практический вывод для задания 12: чтобы был газ, в паре обязательно должен стоять карбонат, гидрокарбонат, сульфит, сульфид или соль аммония. Ни одного из них нет — значит газа нет, и этот вариант признака достаётся другой букве или остаётся лишним.

Из пяти признаков реакции растворение осадка вспоминают реже всего, а между тем именно оно решает целый класс задач: как различить два одинаковых с виду белых осадка.

Случай первый: амфотерные гидроксиды. К раствору соли алюминия или цинка добавляют щёлочь по каплям — выпадает белый осадок Al(OH)₃ или Zn(OH)₂. Продолжают добавлять щёлочь — и осадок растворяется, раствор снова становится прозрачным: Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]. С гидроксидом магния или меди(II) этого не происходит: они основания, а не амфотерные гидроксиды, и в избытке щёлочи остаются. Один опыт — и соли алюминия отличены от солей магния.

Случай второй: карбонаты против сульфатов. BaCO₃ и BaSO₄ оба белые и на вид неразличимы. Добавляем соляную кислоту: карбонат растворяется с выделением газа (BaCO₃ + 2HCl = BaCl₂ + H₂O + CO₂↑), сульфат остаётся неизменным — сульфат бария не растворяется в кислотах вовсе. Именно поэтому его применяют в медицине как контрастное вещество: он проходит через организм, не растворяясь даже в желудочном соке.

Случай третий: гидроксиды в кислоте. Любой нерастворимый гидроксид растворяется в кислоте: Cu(OH)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O, голубой осадок исчезает, а раствор становится голубым. Это тоже признак, и его формулируют именно так: «осадок растворился, раствор окрасился в голубой цвет».

Случай четвёртый: известковая вода при избытке углекислого газа. Помутневший раствор при дальнейшем пропускании CO₂ снова светлеет: CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂. Тем же процессом в природе вода вымывает известняк, образуя пещеры, а обратным — при нагревании и потере углекислого газа — строит сталактиты и даёт накипь в чайнике.

Общий приём, который стоит унести: если два вещества дают одинаковый признак, действуйте на полученный осадок. Кислотой, избытком щёлочи, нагреванием. Поведение осадка различит то, чего не различил его вид.