Как решать задание 25 в ЕГЭ по химии: полное руководство

В задании 25 ЕГЭ по химии нужно продемонстрировать базовые знания современных технологических процессов, оборудования, понимать, где применяются химические соединения, знать основные полимеры. Теоретически в этом задании может встретиться все, о чем есть хоть малейшее упоминание в одобренных Министерством просвещения учебниках по химии. Но на практике эти задания повторяются из года в год, поэтому достаточно просто разобрать ограниченное число случаев. В этом материале собраны типичные примеры заданий 25 ЕГЭ по химии. В результате получилась эта статья, где все помещено в одном месте. 

Содержание

1. Получение веществ.  
2. Применение веществ.  
3. Продукты переработки веществ.  
4. Лабораторное оборудование.  
5. Аппараты для технологических процессов. 
6. Физические процессы.  
7. Типы процессов. 
8. Виды волокон.  
 

1. Получение веществ.

Алюминий.

Восстановление алюминия из оксида алюминия, например, углеродом затруднено, потому что связь Al-O прочнее, чем связь C-O, поэтому с энергетической (так называемой энтальпийной) точки зрения процесс неблагоприятен. В итоге алюминий получают электролизом раствора Al₂O₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Важно отметить, что метод требует колоссальных затрат электроэнергии, поэтому алюминий вырабатывают там, где электроэнергия дешевая, в частности, в России.

Бензол.

Ароматический углеводород бензол получают в ходе риформинга – процесса нефтепереработки, направленного на улучшение эксплуатационных свойств прямогонных бензинов. Бензол образуется в результате дегидроциклизации н-гексана или в результате дегидрирования циклогексана. Другой способ – тримеризация ацетилена.

Гидроксид натрия.

В промышленности гидроксид натрия легко получить электролизом, например, раствора хлорида натрия. На электродах выделятся водород и хлор, а в растворе останется как раз гидроксид натрия.

Глицерин.

Глицерин получают щелочным гидролизом жиров, этот процесс также называется омылением. В результате образуются глицерин и соли жирных кислот, используемые как мыла.

Метан.

Простейший алкан метан получают из природного газа, поскольку основной компонент природного газа – это как раз метан.

Метанол.

Метанол получают из синтез-газа, то есть смеси СО и Н₂. Процесс проводят при высокой температуре и давлении на оксидных катализаторах.

Уксусная кислота.

В школьном курсе нужно знать, что в промышленности уксусную кислоту получают каталитическим окислением н-бутана. Однако в настоящее время это не самый современный способ.

Толуол.

Толуол, как и бензол, получают в ходе риформинга. Он может образоваться, например, в результате дегидроциклизации н-гептана. Молекула н-гептана сворачивается в устойчивое 6-членное (не 7-членное!) кольцо и далее отщепление водорода ведет к образованию ароматического бензольного кольца.

Хлор.

Хлор в промышленности получают электролизом. Подвергать электролизу можно как водный раствор какого-нибудь хлорида, так и его расплав. Например, хлорида натрия.

Этанол.

Этанол в промышленности получают гидратацией этилена. Реакция требует жестких условий (высокие температура и давление), поэтому в лаборатории не используется.

Этилен.

Простейший алкен этилен получают пиролизом, то есть нагревом без доступа воздуха некоторых фракций нефти или индивидуальных низших алканов.

2. Применение веществ.

В этой группе заданий дается вещество и нужно определить основную область его применения. Ниже приведены самые распространенные вещества, применение которых нужно знать.

Активированный уголь.

Активированный уголь имеет развитую поверхность и поэтому применяется как сорбент, то есть поглотитель примесей при очистке воды.

Алюминий.

Алюминий имеет важные эксплуатационные свойства – он легкий и устойчивый к коррозии. Поэтому его применяют как конструкционный материал в авиационной технике. Также из него делают посуду, поскольку он нетоксичен.

Аммиак.

Аммиак применяют при производстве удобрений. Азот является ключевым элементом, задействованным в росте растений. Главные удобрения, которые получают из аммиака, - это аммиачная селитра NH₄NO₃ и мочевина NH₂CONH₂. Массовая доля азота в этих веществах очень высока.

Анилин.

Анилин, он же аминобензол, используют для производства красителей. Такие синтезы были освоены уже в 19 веке во многом благодаря реакции Зинина, которая позволила получать анилин с хорошим выходом в промышленности. 

Ацетилен.

При горении ацетилена развивается очень высокая температура – больше 3000°С. Это позволят плавить даже тугоплавкие металлы. Поэтому ацетиленовые горелки применяются при сварке. Ацетилен – это тривиальное название. Систематическое будет «этин».

Ацетон.

Ацетон – это бесцветная жидкость с характерным запахом. Его применяют как растворитель в производстве взрывчатых веществ, лекарств и лаков. Важно помнить, что ацетон может встретиться также под названием «диметилкетон» или «пропанон». Это то же самое вещество.

Бензоат натрия.

Натриевая соль бензойной кислоты C₆H₅COONa используется как консервант пищевых продуктов. То есть это пищевая добавка.

Бутадиен-1,3.

Бутадиен-1,3, который также может встретиться под названием «дивинил», применяют для получения синтетического каучука. В промышленном масштабе получение каучука на основе бутадиена-1,3 было впервые реализовано в СССР благодаря трудам академика С.В. Лебедева.

Водород.

Водород применяют в разных областях, в том числе и в пищевой промышленности. Существенная доля получаемого водорода расходуется на гидрирование жиров, в результате чего получается пищевой продукт маргарин.

Гидрокарбонат аммония.

Гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃ легко разлагается с образованием газов. При выделении эти газы способны разрыхлять тесто, приводя к его подъему. Поэтому эта кислая соль используется в пищевой промышленности как разрыхлитель.

Гипохлорит натрия.

Гипохлорит натрия NaOCl обладает сильными окислительными свойствами, поэтому он используется для очистки воды и отбеливания тканей.

Глицерин.

Глицерин является трехатомным спиртом с формулой CH₂OH-CHOH-CH₂OH. Он применяется в косметике как компонент, придающий кремам увлажняющие свойства.

Карбонат натрия.

Стекло представляет собой твердую смесь оксидов металлов и оксида кремния. Вернее, не совсем твердую, а именно стеклообразную, то есть сочетающую свойства очень вязкой жидкости и кристаллической аморфности. Одним из самых распространенных металлов в составе стекла является натрий (в виде оксида). В качестве его источника при изготовлении стекла как раз используют карбонат натрия.

Кокс.

Кокс – это продукт, который получают из каменного угля и который почти полностью состоит из углерода. Кокс подают сверху в доменную печь для восстановления железа из железной руды. Назначение этого технологического процесса состоит в получении чугуна, который представляет собой сплав железа с углеродом с содержанием последнего больше 2,14% по массе.

Лимонная кислота.

Трехосновная лимонная кислота используется в пищевой промышленности как вкусовая добавка и регулятор кислотности. Также она доступна для использования в быту, с ее помощью в числе прочего возможно удаление накипи из чайника.

Озон.

Озон О₃ является сильным окислителем и способен убивать бактерии. На этом основано его применение для обеззараживания воды и воздуха. Сегодня озонирование питьевой воды применяют во многих уличных автоматах по ее продаже.

Оксид кремния.

Оксид кремния применяется как компонент при изготовлении стекла и керамических изделий.

Пальмитат натрия.

Пальмитиновая кислота C₁₅H₃₁COOH является жирной, поэтому ее натриевая соль может использоваться как компонент мыла.

Пероксид (перекись) водорода.

Растворы пероксида водорода H₂O₂ применяются для обеззараживания наружных ран, а также в косметологии для обесцвечивания волос.

Пирит.

Пирит FeS₂ – это минерал, обжиг которого представляет собой первый этап в технологическом процессе производства серной кислоты. Его также называют «серный колчедан» или «железный колчедан».

Пропан.

Пропан, который представляет собой газ без цвета и запаха, применяют как топливо. На нем могут ездить автомобили, также возможно его применение в кухонных плитках и газовых горелках.

Сера.

Получаемые в результате химических процессов синтетические каучуки не всегда обладают нужными эксплуатационными свойствами. Поэтому их подвергают вулканизации. Суть этого процесса сводится к тому, что сера, образуя связи S-S, сшивает волокна полимеров. В результате каучук превращается в резину. Поэтому серу применяют для вулканизации каучуков с целью получения резины.

Стеарат калия.

Калиевые соли жирных кислот обычно являются компонентами жидкого мыла.

Стеарат натрия.

Натриевые соли жирных кислот обычно являются компонентами твердого мыла.

Толуол.

Толуол или метилбензол применяют в качестве растворителя в органической химии.

Уксусная кислота.

Уксусная кислота подобно бензоату натрия также является консервантом для продуктов и пищевой добавкой.

Фосфат кальция и фосфорная кислота.

Фосфор, как и азот, является необходимым элементом для роста растений. Поэтому в промышленности получают фосфорные удобрения, такие как двойной суперфосфат, преципитат, аммофос и другие. Для их получения как раз используют фосфат кальция и фосфорную кислоту. 

Хлор.

Хлор применяют в производстве отбеливателей. Продукт растворения хлора в щелочной калиевой среде называется «жавелевой водой», а в щелочной натриевой – «лабарраковой водой». Получаемые смеси гипохлоритов и хлоридов обладают отбеливающими свойствами, что было установлено еще в 19 веке.

Хлорид алюминия.

AlCl₃ является одним из первых катализаторов, например, алкилирования бензола. То есть если нужно указать применение этой соли, то следует указать «катализатор». Правда, следует отметить, что сегодня такой катализатор имеет только историческое значение и не применяется уже десятки лет. Тем не менее в рамках ЕГЭ мы указываем его применение в качестве катализатора.

Хлорид натрия.

Хлорид натрия NaCl – это поваренная соль. В природе ей соответствует минеральная порода «каменная соль» или минерал «галит». Хлорид натрия применяется в кулинарии и как консервант. Например, если сырую рыбу посолить поваренной солью даже без термической обработки, она надолго сохранит вкусовые качества и быстро не испортится.

Цинк.

Цинк можно применять как восстановитель в электрохимических процессах, а также он является компонентом сплава с медью, который называется «латунь».

Четыреххлористый углерод.

Это соединение имеет формулу CCl₄ и применяется как неполярный растворитель в органической химии. Были попытки применять его в качестве наполнителя для огнетушителей, но они не повлекли широкого распространения CCl₄, потому что продукты контакта CCl₄ с горячими поверхностями токсичны. 

Этилен.

Этилен является простейшим алкеном, и наличие двойной связи позволяет ему полимеризоваться. Полимеризацией этилена получают важнейший полимер полиэтилен. Из него делают трубы, тару и пленки.

Этиленгликоль.

Двухатомный спирт этиленгликоль CH₂OH-CH₂OH образует с водой смеси, которые замерзают при температурах гораздо более низких, чем индивидуальные вода и этиленгликоль. Поэтому это вещество используют как компонент незамерзающих жидкостей, то есть антифризов.

3. Продукты переработки веществ.

Необходимо знать ключевые продукты, которые получаются при переработке ископаемого сырья.

Переработка каменного угля.

Одним из вариантов переработки каменного угля является пиролиз, то есть нагревание при высокой температуре без доступа воздуха. В результате образуются кокс, а также аммиачная вода и каменноугольная смола. Из каменноугольной смолы далее можно получить нафталины, фенолы и другие ценные вещества.

Переработка нефти.

В результате первичной перегонки нефти и дальнейшей переработки полученных фракций получают ценные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, битумы.

Переработка попутного нефтяного газа.

В нефти растворены газы, которые называют попутным нефтяным газом. Это метан, этан, пропан, бутан. Путем его переработки можно получить сами индивидуальные газы, а также другие ценные продукты, включая алкены, алкадиены и полимеры.

4. Лабораторное оборудование.

Мензурка.

Мензурка по внешнему виду напоминает цилиндр с делениями, по которым можно судить об объеме налитого в нее раствора. Поэтому мензурку используют для измерения объема.

Ступка с пестиком.

Пестик – это нечто вроде закругленной на конце толстой и короткой палки. Пестиком измельчают твердые вещества, растирая их по поверхности ступки. Ступка представляет собой нечто вроде прочной чашки, в которой производят растирание. 

Тигель.

Тигель – это небольшая емкость, сделанная из жаропрочного материала. Тигли с внесенными в них порошками помещают в печи, где проводят нагревание в воздухе или без воздуха (пиролиз). То есть в тиглях прокаливают порошки.

Фарфоровая чашка.

Фарфоровая чашка имеет относительное широкие размеры, что обеспечивает большую площадь поверхности контакта помещенного в него раствора и воздуха. Поэтому в фарфоровых чашках часто проводят упаривание растворов. Упаривание можно проводить на водяной или песчаной бане.

5. Аппараты для технологических процессов.

Обжиг пирита.

Обжиг пирита FeS₂ – это первый этап технологического цикла производства серной кислоты. Обжиг пирита производят в печи для обжига.

Очистка газов от твердых частиц.

Такой вопрос чаще всего возникает в случае очистки SO₂ при производстве серной кислоты. SO₂ получается в результате обжига FeS₂, поэтому частицы Fe₂O₃ могут увлекаться потоком образующегося SO₂. Для очистки газа используют циклон – устройство, в котором за счет центробежной силы твердые частицы оксида железа отделяются от газовой массы.
 
Перегонка нефти.

Перегонку нефти, то есть разделение ее на фракции, проводят в ректификационной колонне. Этот аппарат позволяет разделить нефть на части, которые кипят при определенной температуре, то есть как раз фракции. Такое разделение является необходимым, потому что разные фракции нефти находят разное применение.
 
Получение аммиака.

Аммиак получают по реакции между водородом и азотом, которые под давлением при высокой температуре и в присутствии катализатора смешивают в специальном реакторе. Такой реактор называется колонной синтеза.

Получение оксида серы (VI).

Одним из технологических этапов при получении серной кислоты является окисление SO₂ в SO₃. SO₂ получают обжигом пирита FeS₂, однако SO₃ при этом не образуется. SO₃ получают в отдельном аппарате путем окисления SO₂ кислородом обязательно в присутствии катализатора, например, V₂O₅. Такой аппарат называется контактным аппаратом.

Получение олеума.

Олеум – это раствор оксида серы(VI) в безводной серной кислоте. Получение олеума является этапом при синтезе товарной серной кислоты, в том числе и разбавленной. Поглощение SO₃ водой вызывает сильный разогрев системы, поэтому получают сначала олеум, растворяя SO₃ в H₂SO₄, а потом олеум уже разбавляют водой для получения серной кислоты. Аппарат для поглощения SO₃ посредством H₂SO₄ называется поглотительной башней.

Получение щелочных металлов.

Щелочные металлы в индивидуальном виде практически невозможно получить в результате химической реакции. Они являются слишком активными и обладают сильными восстановительными свойствами. Поэтому их получают электролизом, но не водного раствора (так как в этом случае образуется водород), а расплава соли. Аппарат для этого процесса называется электролизер.

Разделение газовых и жидких смесей.

Для разделения газовой смеси, например, целевого продукта аммиака от исходных реагентов водорода и азота, можно использовать сепаратор. Сепараторы могут быть основаны на разных принципах, однако они всегда используют разные физические характеристики компонентов смеси. В процессе получения аммиака в сепараторе отделяются капли жидкого аммиака от водорода и азота, находящихся в газовой фазе.

Сжатие газов.

Когда газы сжимаются, их объем уменьшается, а давление возрастает. Иногда в технологических процессах газ нужно подавать под давлением. В таких случаях используют компрессор – специальный аппарат, который позволяет создать давление в газовой смеси.

6. Физические процессы.

Нужно знать несколько физических процессов, которые применяются для разделения смесей.

Возгонка (сублимация).

Некоторые вещества способны переходить в газовую фазу, минуя жидкую. Такой процесс называется возгонкой или сублимацией. Если в смеси есть вещество, способное возгоняться, то его как раз можно отделить возгонкой. Примером такого вещества является молекулярный йод.

Выпаривание.

Выпаривание предполагает удаление растворителя путем кипячения раствора. Растворитель испаряется, а растворенные вещества при этом остаются на дне колбы. Типичный пример применения выпаривания – это разделение растворенной поваренной соли NaCl и воды. Кипячением можно удалить воду, а соль останется, поскольку является ионным соединением и практически не летуча, то есть не испаряется. Метод применим для отделения и других солей от воды.

Магнитная сепарация.

Магнитная сепарация предполагает воздействие магнитом с целью захвата частиц, которые способны притягиваться. То есть таким способом можно разделить два вещества, если одно из них притягивается магнитом, а другое нет. Например, железные и древесные опилки.

Отстаивание.

Отстаиванием можно разделить два жидких вещества, если они не смешиваются друг с другом. Например, воду и октан или воду и нефть. Октан не смешивается с водой и имеет более низкую плотность, поэтому поднимается выше. То есть мы имеем две жидких фазы, разделенные мениском. Процесс отстаивания заключается в ожидании, пока мениск не стабилизируется. Далее две жидкие фазы можно легко разделить на делительной воронке.  

Ректификация (перегонка).

Ректификация (перегонка) основана на том, что компоненты, образующие жидкую смесь, имеют разную температуру кипения. Тогда нагревая смесь до разной температуры, можно избирательно отделять компоненты смеси в виде пара, а потом их конденсировать. Так поступают в том числе и с нефтью, используя ректификационные колонны. Другой пример – разделение ректификацией смеси воды и этилового спирта. Вода и этиловый спирт имеют разную температуру кипения, поэтому могут быть разделены таким способом. Правда, нужно иметь в виду, что чистый спирт так получить не удастся. Он будет выкипать в виде азеотропной смеси, то есть в виде раствора с определенной концентрацией спирта в воде, который будет кипеть как индивидуальное вещество с фиксированной температурой кипения.

Фильтрование.

Фильтрование предполагает создание пористого барьера на пути жидкости таким образом, чтобы частицы, имеющие более крупный размер по сравнению с порами фильтра, задерживались, а очищенная жидкость проходила через фильтр. То есть таким способом можно отделять механические примеси, например, частицы угля, плавающие в воде, или разделить смесь воды и речного песка. Также нужно понимать, что разделить раствор на компоненты фильтрованием не получится. То есть нельзя отделить NaCl от воды в водном растворе NaCl. Потому что и NaCl, и вода пройдут через фильтр. Фильтр отделяет только крупные нерастворимые частицы.

7.  Типы процессов.

Гидратация.

Гидратация – это присоединение молекулы воды к кратной связи. Гидратация двойной связи дает спирты. Например, присоединением воды к этилену можно получить этанол, а к пропену – пропанол-2.

Гидратация тройной связи дает альдегиды и кетоны. Присоединением воды к ацетилену можно получить ацетальдегид, а к другим алкинам – кетоны.

Гидрирование.

Гидрирование – это присоединение водорода к кратной связи. В результате из алкенов и алкинов можно получить алканы, а из бензола – циклогексан.

Гидролиз.

Гидролиз – это разложение вещества водой. В результате этого процесса образуются новые вещества, как правило, более простые. Гидролизу могут подвергаться соли, тогда образуются слабые электролиты, а именно слабые основания и кислоты. Также ему подвержены полипептиды и белки, в этом случае продуктами являются аминокислоты. Гидролизовать можно еще полисахариды, например, крахмал или целлюлозу, в продуктах мы увидим моносахариды, а именно глюкозу. Наконец еще в качестве примера можно привести гидролиз сложных эфиров, приводящий к образованию карбоновых кислот и спиртов.

Подробнее о различиях между гидролизом и гидратацией вы можете прочитать здесь.

Дегидратация.

Дегидратация – это удаление воды из одной молекулы (внутримолекулярная дегидратация) или из двух молекул (межмолекулярная дегидратация). Например, внутримолекулярной дегидратацией этанола можно получить этилен, а межмолекулярной – диэтиловый эфир.

Дегидрирование.

Дегидрирование – это удаление водорода из молекулы углеводорода. Как правило, мы имеем дело с дегидрированием алканов, которые превращаются, например, в алкены, или с дегидрированием циклогексана в бензол. В обоих случаях происходит удаление водорода, который выделяется в молекулярной форме. 

Поликонденсация.

При поликонденсации помимо полимера образуется низкомолекулярный продукт, то есть конденсат, как правило, вода. Ниже приведена схема поликонденсации на примере получения фенолформальдегидной смолы:

Поскольку полимерный продукт здесь образуется из двух разных исходных веществ, этот процесс можно также назвать «сополиконденсацией».

Также в качестве примера поликонденсации можно привести димеризацию глюкозы. 

Если дисахарид дальше будет соединяться с глюкозой, то это будет уже получение полисахарида. Среди продуктов реакции есть вода, поэтому это будет поликонденсация.

Также может встретиться поликонденсация терефталевой кислоты с этиленгликолем с образованием полимера полиэтилентерефталата (ПЭТ) или лавсана.

Поликонденсацией также является образование полипептидов из аминокислот.

Полимеризация.

Если низкомолекулярный продукт, в частности, вода не образуется и единственный продукт - это сам полимер, то такой процесс называется полимеризацией. Ниже приведены примеры полимеризации этилена, винилхлорида, пропилена, бутадиена-1,3, изопрена, хлоропрена и стирола. Все эти процессы называются именно полимеризацией, а не поликонденсацией, так как вода не образуется.

Также нужно знать еще несколько полимеров.

Крекинг.

Крекинг – это важнейший процесс нефтепереработки, приводящий к повышению глубины переработки. В результате крекинга длинные молекулы углеводородов более тяжелых фракций разрушаются с образованием более коротких молекул. При термическом крекинге, который сейчас практически не используется, образуются алканы и алкены. При каталитическом крекинге в присутствии водорода возможно получение только алканов. Крекинг позволяет получать компоненты современных бензинов.

Риформинг.

Риформинг также является важнейшим процессом нефтепереработки, однако он не приводит к повышению глубины переработки. Сырьем для риформинга могут служить низкооктановые бензины, получаемые после первичной перегонки нефти. В результате риформинга происходит дегидрирование циклоалканов в арены, а также дегидроциклизация алканов также в арены. В результате повышается октановое число бензинов. То есть с помощью риформинга также получают компоненты современных бензинов.

8. Виды волокон.

Нужно знать виды некоторых волокон с точки зрения их происхождения.

Асбест.

Асбест – это волокно на основе оксида кремния. Человек не получал его в лаборатории, поэтому оно не является синтетическим. Человек не получал его модифицированием того, что создала природа, поэтому оно не является искусственным. Наконец асбест не является продуктом синтеза живых организмов, поэтому это волокно не натуральное. Это минеральное волокно.

Вискоза.

Вискоза – это волокно, которое получают модифицированием встречающейся в природе целлюлозы. Такие волокна относятся к типу искусственных.

Капрон (нейлон).

Капрон – это волокно, которое не существовало природе до того, как его синтезировал человек. Поэтому это синтетическое волокно. Это полимер 6-аминогексановой кислоты, фрагменты которой связываются друг с другом через амидную связь. Другое название капрона – нейлон.

Шелк.

Шелковую нить производят живые существа – гусеницы-шелкопряды. Она состоит из белков, то есть последовательностей аминокислот. Такое волокно является натуральным – человек его не синтезирует сам, а получает в результате природного процесса жизнедеятельности.

Хлопок.

Волокно хлопка имеет растительное происхождение, поэтому является натуральным.