Как решать задание 5 ЕГЭ по химии: полное руководство.

Если вы хотите потренироваться решать задание 5 ЕГЭ по химии на тренажере, то сделать это можно по этой ссылке. 

Задание 5 в ЕГЭ по химии связано с определением классов неорганических веществ. В настоящей статье мы разберем эти классы и отдельно коснемся подвохов, которые встречаются на экзамене. Для начала следует перечислить все классы неорганических веществ. Это оксиды, гидроксиды (основания), кислоты, соли, а также комплексные соединения. Давайте пройдем по порядку по всем классам.

Содержание

1. Оксиды

   1.1. Несолеобразующие оксиды

   1.2. Солеобразующие оксиды

     1.2.1. Основные оксиды

     1.2.2. Кислотные оксиды

     1.2.3. Амфотерные оксиды

2. Гидроксиды (основания)

3. Кислоты

4. Соли

   4.1. Средние соли

   4.2. Кислые соли

   4.3. Основные соли

5. Комплексные соединения

6. Ковалентные галогениды

1. Оксиды

Следует дать однозначное определение для оксидов. Оксиды – это бинарные соединения, в которых степень окисления кислорода равна -2. Итак, во-первых, это бинарные соединения, то есть они состоят из двух элементов, одним из которых обязательно является кислород. Это значит, что, например, KClO₃ не является оксидом, поскольку состоит из трех элементов. Во-вторых, степень окисления кислорода строго равна -2. По этой причине оксидами не являются соединения ниже, потому что в них степень окисления кислорода не равна -2:

Na₂O₂ (не оксид, а пероксид натрия, поскольку степень окисления кислорода равна -1) 
BaO₂ (не оксид, а пероксид бария, поскольку степень окисления кислорода равна -1) 
KO₂ (не оксид, а надпероксид калия, поскольку степень окисления кислорода формально равна -1/2) 
KO₃ (не оксид, а озонид калия, поскольку степень окисления кислорода формально равна -1/3)

Все оксиды делятся на две большие группы: несолеобразующие и солеобразующие.

Несолеобразующие оксиды.

Несолеобразующих оксидов не так много и их легко выучить:

CO, SiO, N₂O, NO

Термин «несолеобразующий» означает, что такие оксиды не реагируют с водой с образованием соответствующих кислот или оснований. Также они не реагируют с щелочами или кислотами с образованием соответствующих солей. В этом плане все указанные выше оксиды являются несолеобразующими. Однако здесь есть нюансы. Если CO пропускать через раствор щелочи, то никакой соли кислоты мы действительно не получим. Однако этот оксид реагирует с расплавом щелочи с образованием соли муравьиной кислоты – формиатом, например, HCOOK. То есть кислота, соответствующая СО, существует, но сам оксид все равно считается несолеобразующим.

Также есть кислота для N₂O, которая называется азотноватистой и имеет формулу H₂N₂O₂. Ее разложением вполне можно получить N₂O и Н₂О, но вот обратный процесс невозможен. Поэтому N₂O тоже называется несолеобразующим.

Нашего внимания еще заслуживает оксид азота (IV). Он реагирует и с водой, и с щелочами:

2NO₂ + H₂O = HNO₂ + HNO₃ 
2NO₂ + 2KOH = KNO₂ + KNO₃ + H₂O

Поэтому во многих учебниках он назван кислотным оксидом, который входит в солеобразующую группу оксидов. Тем не менее, строго говоря, именно NO₂ никакая из образующихся кислот не соответствует. Кислоте HNO₂ соответствует оксид N₂O₃, а кислоте HNO₃ – оксид N₂O₅. Для NO₂ такой кислоты, в которой у азота была бы степень окисления +4, нет.

Отметим, что в заданиях экзамена для некоторых оксидов могут использоваться тривиальные названия. CO – это угарный газ, N₂O – это закись азота или «веселящий газ», а NO₂ – это «лисий хвост», названный так из-за бурого цвета.

Солеобразующие оксиды.

Солеобразующие оксиды названы так потому, что они могут реагировать с щелочами и кислотами с образованием соответствующих солей. Солеобразующие оксиды могут быть основными, кислотными или амфотерными.

Основные оксиды.

К подгруппе основных оксидов относятся оксиды металлов I и II группы главной подгруппы кроме Be. То есть это оксиды типичных s-металлов. Приведем их все:

Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O, MgO, CaO, SrO, BaO.

Оксиды Fr и Ra мы не включаем, потому что эти элементы радиоактивны. Основные оксиды взаимодействуют с водой, хотя и с разной скоростью. Например, оксид магния с холодной водой реагирует медленно. В результаты этих реакций получаются основания-гидроксиды, именно поэтому оксиды и называются основными:

Na₂O + H₂O = 2NaOH

Также основными являются оксиды переходных d-металлов в низшей степени окисления, например:

CrO, FeO, MnO

Строго говоря, в случае, например, FeO нельзя говорить, что оксид является строго основным. Более корректно говорить о том, что основные свойства в нем сильно преобладают, тогда как оксид фактически является амфотерным. Но в рамках программы для экзамена ЕГЭ мы считаем эти оксиды основными.

Также необходимо знать, что основный оксид CaO имеет тривиальное название «негашеная известь».

Кислотные оксиды.

Существенная часть кислотных оксидов образована неметаллами. Приведем типичные примеры:

B₂O₃, CO₂, SiO₂, P₂O₃, P₂O₅, N₂O₃, N₂O₅, SO₂, SO₃, Cl₂O, Cl₂O₇

Как правило, кислотные оксиды реагируют с водой с образованием соответствующих кислот. Иногда, как в случае SiO₂, такая реакция не идет фактически, но тем не менее к SiO₂ все равно можно «математически» прибавить H₂O и получить кислоту H₂SiO₃.

Также кислотные оксиды могут быть образованы переходными d-металлами в высшей степени окисления. Например:

CrO₃, Mn₂O₇  

Cr в степени окисления +6 соответствует хромовая кислота H₂CrO₄, а Mn в степени окисления +7 – марганцовая кислота HMnO₄.

Из тривиальных названий для кислотных оксидов нужно знать названия для SiO₂: кварц, кварцевый песок, кремнезем. Кроме того, нужно помнить про такое название, как «ангидрид». Ангидрид – это продукт, который получается, если из кислородсодержащей кислоты забрать воду. Этим продуктом как раз будет кислотный оксид. Ниже приведены примеры ангидридов:

SO₂ – сернистый ангидрид 
SO₃ – серный ангидрид 
P₂O₅ – фосфорный ангидрид    

Амфотерные оксиды.

Если соединение называется амфотерным, это означает, что оно одновременно сочетает свойства основания и кислоты. Из s-элементов амфотерный оксид образует Be, из p-элементов – Al. Также амфотерностью обладают оксиды переходных d-элементов в промежуточной степени окисления:

Cr₂O₃, MnO₂, Fe₂O₃

Добавим к ряду амфотерных оксидов встречающиеся на экзамене PbO, CuO и ZnO.

Химическим доказательством амфотерности является способность таких оксидов взаимодействовать как с кислотами, так и с щелочами.

В заключении следует остановиться на двойном оксиде Fe(II, III), который имеет формулу Fe₃O₄. Он называется двойным, потому что состоит из двух оксидов: FeO и Fe₂O₃. Нужно знать, что такой двойной оксид имеет название «железная окалина».  

2. Гидроксиды (основания).

В этом разделе понятия «гидроксид» и «основание» объединены, однако нужно точно понимать, что за ними скрывается. Гидроксид – это соединение, в котором есть группы атомов OH. Если мы говорим о гидроксиде металла, то его формула будет записываться так: Me(OH)_n, где n – валентность металла Ме. Гидроксиды металлов являются основаниями, а основания – это соединения, которые способны при электролитической диссоциации в водном растворе давать ионы ОН^-. Здесь следует особо отметить, что такой взгляд на основания – не единственный. В школьном курсе под основаниями понимается то же, что под ними понимал создатель первой теории кислот и оснований Сванте Аррениус. Именно он и предложил еще в 19 веке считать основаниями соединения, дающие ионы OH^- в растворе. В действительности, есть и другие теории, например, Брёнстеда и Льюиса, где понятие основания трактуется несколько иначе. Но в нашем курсе можно запомнить так: основания – это гидроксиды металлов, а также раствор аммиака в воде. Растворимые гидроксиды металлов называются щелочами, например, это NaOH и KOH. Они также могут встретиться на экзамене под названиями «едкий натр» (NaOH) и «едкое кали» (KOH). Также для NaOH еще есть название «каустическая сода». Обратите внимание, что каустическая сода никак не связана с карбонатом натрия. Если гидроксид металла нерастворим (например, Al(OH)₃), то его нельзя называть щелочью. Еще необходимо знать тривиальная название Ca(OH)₂ «гашеная известь». Ее получают гашением негашеной извести (CaO) водой.

У гидроксидов-оснований есть понятие кислотность, но не в том смысле, что они проявляют кислотность как кислоты, а в том, что они могут быть одно-, двух- и трехкислотными в зависимости от числа ОН-групп. Именно это такая кислотность и означает: количество ОН-групп, которые есть в гидроксиде. Например NaOH – это однокислотное основание, потому что в нем только одна ОН-группа. Соответственно, Ba(OH)₂ – двухкислотное, а Al(OH)₃ – трехкислотное основание, поскольку в них две и три ОН-группы. В экзамене может быть задание типа «укажите двухкислотное основание».  

Важно разделять понятия «гидроксид» и «основание», потому что есть еще такое понятие как «гидроксид неметалла», и он как раз не является основанием. Гидроксиды неметаллов – это фактически кислоты. Иногда их еще называют «высшими гидроксидами». В экзамене часто бывает вопрос указать высший гидроксид. Тогда в качестве ответа вполне подойдут H₂SO₄ или H₃PO₄. Это будут высшие гидроксиды серы и фосфора, соответственно.

Также гидроксид может быть амфотерным, то есть проявляющим помимо основных также и кислотные свойства. Амфотерные гидроксиды соответствуют амфотерным оксидам. То есть если оксид амфотерен, то его гидроксид также амфотерен.

3. Кислоты.

Кислоты – это соединения водорода и кислотного остатка. Перечислим основные кислоты:

H₃BO₃ - борная 
H₂CO₃ – угольная 
H₂SiO₃ – кремниевая 
HNO₃ – азотная 
HNO₂ – азотистая 
HPO₃ – метафосфорная 
H₃PO₄ – ортофосфорная (фосфорная) 
H₃PO₃ – фосфористая 
H₃PO₂ – фосфорноватистая 
H₂S – сероводородная 
H₂SO₄ – серная 
H₂SO₃ – сернистая 
HF – фтороводородная (плавиковая) 
HCl – хлороводородная (соляная) 
HClO₄ – хлорная 
HClO₃ – хлорноватая 
HClO₂ – хлористая 
HClO – хлорноватистая 
HBr – бромоводородная 
HI – йодоводородная 
HIO₃ – йодноватая

Это не все неорганические кислоты, которые известны, а только те, которые могут встретиться на экзамене. Также нужно знать несколько органических кислот. Они могут встретиться несмотря на то что задание ориентировано на неорганические соединения.

HCOOH – муравьиная (метановая) 
CH₃COOH – уксусная (этановая) 
CH₃CH₂COOH – пропионовая (пропановая) 
CH₃CH₂CH₂COOH – масляная (бутановая) 
HOOC-COOH – щавелевая (этандиовая)

У кислот есть понятие основность. Опять же, это не означает основность, какая есть у оснований, а только число атомов водорода. То есть HCl будет одноосновной кислотой, потому что у нее один атом водорода, H₂SO₄ будет двухосновной (два атома Н), а H₃PO₄ – трехосновной (три атома Н). В подавляющем числе случаев основность кислоты равна числу атомов водорода, но есть два исключения.

На рисунке ниже приведены структурные формулы кислот, содержащих атом фосфора.

 
Основность кислоты действительно связана с числом атомов Н в ее молекуле, но только таких атомов Н, которые являются кислыми, то есть способными обмениваться на катионы. В фосфорной кислоте таких атомов Н действительно 3 (обозначены синим цветом). Они связаны с атомами кислорода, являются кислыми и способны обмениваться на катионы. Поэтому фосфорная кислота трехосновная. А вот в фосфористой кислоте один атом Н (обозначен красным) связан не с кислородом, а с фосфором. Он не является кислым и не способен обмениваться на катион. Поэтому несмотря на то что формула фосфористой кислоты H₃PO₃, только 2 водорода в ней являются кислыми и поэтому кислота двухосновная. В фосфорноватистой кислоте такой кислый водород вообще один (обозначен синим), а два других (обозначены красным) связаны с фосфором и не являются кислыми. Поэтому несмотря на формулу H₃PO₂ это одноосновная кислота.

Здесь еще следует отметить, что кислота фосфористая H₃PO₃ может на экзамене появиться в виде H₂(HPO₃), а фосфорноватистая H₃PO₂ – в виде H(H₂PO₂). Это просто другой способ записи этих кислот.

4. Соли.

Солями называются такие производные кислот, которые содержат катион и анион кислотного остатка. Запишем названия кислотных остатков, которые дают названия солям:

CO₃^2- – карбонат 
SiO₃^2- – силикат 
NO₃^- – нитрат 
NO₂^- – нитрит 
PO₃^- – метафосфат 
PO₄^3- – ортофосфат (фосфат) 
HPO₃^2- – фосфит 
H₂PO₂^- – гипофосфит 
S₂^- – сульфид 
SO₄^2- – сульфат 
SO₃^2- – сульфит 
F^- – фторид 
Cl^- – хлорид 
ClO₄^- – перхлорат 
ClO₃^- – хлорат 
ClO₂^- – хлорит 
ClO^- – гипохлорит 
Br^- – бромид 
I^- – йодид 
IO₃^- – йодат

Также нужно знать несколько остатков органических кислот:

HCOO^- - формиат 
CH₃COO^- - ацетат 
^-OOC-COO^- - оксалат

Общее название для кислотного остатка карбоновой кислоты C_nH_2n+1COO^- будет «алканоат», где вместо «алкан» мы подставляем «метан», «этан», «пропан» и так далее в зависимости от числа углеродных атомов в остатке. То есть:

HCOO^- - метаноат (наряду с формиатом) 
CH₃COO^- - этаноат (наряду с ацетатом) 
C₂H₅COO^- - пропаноат 
С₃Н₇СОО^- - бутаноат

Когда мы говорим о солях, в подавляющем числе случаев под катионом мы понимаем катион металла. Однако нужно помнить, что катионом может быть еще ион аммония NH₄⁺. Более того, во второй части экзамена могут встретиться производные катиона аммония, у которых один или несколько атомов водорода заменены на органические радикалы. Например, CH₃NH₃⁺ (катион металаммония) или (C₂H₅)₂NH₂⁺ (катион диэтиламмония). Такие катионы тоже могут входить в состав солей, хотя в задании 5 все же встречается обычно незамещенный катион аммония NH₄⁺, потому что соли с органическим катионом – это все-таки немного особый класс веществ.

Теперь нужно сказать о том, какие бывают соли с точки зрения степени замещения водорода в кислоте на катион или степени замещения гидроксид ионов в основании на кислотный остаток. С этой точки зрения соли бывают средние, кислые и основные. Нужно хорошо разобраться в этих классах солей, чтобы хорошо решать задание 5 ЕГЭ по химии.

Средние соли.

Средняя соль – это продукт полного замещения всех кислых атомов водорода в кислоте на катионы. Все соли одноосновных кислот являются средними, потому что в них все атомы водорода (то есть единственный) замещены на катион. Ниже приведены примеры:

NaCl – хлорид натрия 
KI – йодид калия 
CaF₂ – фторид кальция

В случае двухосновных кислот оба атома водорода, а в случае трехосновных все три атома водорода должны быть замещены на катион, чтобы соль называлась средней. Например:

Na₂S – сульфид натрия 
K₂SO₄ – сульфат калия 
CaSO₃ – сульфит кальция 
Li₃PO₄ – фосфат лития

Приведем ниже тривиальные названия для некоторых средних солей. Именно под тривиальными названиями без указания формул могут фигурировать некоторые соли в заданиях.

KClO₃ – бертолетова соль (хлорат калия) 
Na₂SO₄∙10Н₂О – глауберова соль (сульфат натрия, кристаллогидрат) 
CuSO₄∙5Н₂О – медный купорос (сульфат меди (II), кристаллогидрат) 
K₂CO₃ - поташ (карбонат калия) 
Na₂CO₃ – кальцинированная сода (карбонат натрия) 
Na₂СО₃∙10Н₂О – кристаллическая сода (карбонат натрия, кристаллогидрат) 
CaCO₃ – мрамор, мел, известняк (карбонат кальция) 
NH₄NO₃ – аммонийная селитра (нитрат аммония) 
NaNO₃ – чилийская селитра (нитрат натрия) 
KNO₃ – индийская селитра (нитрат калия)

Обратите внимание, что некоторые соли выше являются кристаллогидратами, то есть содержат химически связанную воду в своих формульных единицах.

Также необходимо иметь понятие о двойных солях. Двойные соли имеют два разных катиона и один анион. Типичный пример – это алюмокалиевые квасцы, имеющие формулу KAl(SO₄)₂. По сути, это смесь сульфатов калия и алюминия. Если сложить K₂SO₄ и Al₂(SO₄)₃ и разделить индексы атомов на два, мы как раз получим формулу KAl(SO₄)₂.

Важная двойная соль, которая может встретиться на экзамене, - это соль Мора, которая имеет формулу (NH₄)₂Fe(SO₄)₂. Это двойная соль аммония и железа (II).

Кислые соли.

Возможен вариант, при котором не все атомы водорода в кислоте, а только часть их замещена на катионы, а остальные атомы водорода сохраняются. Такое возможно только в случае двух- и трехосновных кислот. Такие соли называются кислыми. Удобно рассмотреть их на примере трехосновной фосфорной кислоты: 

Вторая формула на рисунке представляет собой продукт замещения одного водорода в фосфорной кислоте (первая формула) на катион натрия. Получается формула NaH₂PO₄. Это кислая соль, которая называется дигидрофосфат натрия. «Ди» означает «два», а «гидро» - водород, то есть дигидрофосфат – это фосфат с двумя атомами водорода. Третья формула – это продукт замещения уже двух атомов водорода в фосфорной кислоте (первая формула) на катионы натрия. Получаем формулу Na₂HPO₄. Это тоже кислая соль по определению, потому что один водород кислоты не заместился и сохранился в соли. Соль называется гидрофосфат, то есть «фосфат с водородом». Наконец четвертая формула – это уже средняя соль фосфат натрия Na₃PO₄, потому что все водороды в кислоте (первая формула) заместились на катионы натрия.

Можно привести еще примеры распространенных кислых солей:

NaHCO₃ – гидрокарбонат натрия 
KHSO₄ – гидросульфат калия 
NaHS – гидросульфид натрия

Отметим, что гидрокарбонат натрия NaHCO₃ может встретиться в задании под названием «пищевая сода».

Может создаться впечатление, что любая соль, в которой есть водород, является кислой, но это не так. Здесь нужно вспомнить про два исключения, которые мы рассматривали в разделе кислот и которые касаются фосфорсодержащих кислот.   

Дело в том, что в фосфористой кислоте есть один, а в фосфорноватистой кислоте два атома водорода, которые не являются кислыми и не могут обмениваться на катионы. Поэтому присутствие этих некислых атомов водорода в солях не делает соли кислыми. Если в фосфористой кислоте H₃PO₃ заменить один из двух кислых водородов на натрий, мы действительно получим кислую соль гидрофосфит натрия NaH₂PO₃. Это именно гидрофосфит, а не дигидрофосфит даже несмотря на наличие в формуле двух атомов водорода. Если в этой кислоте заменить оба кислых водорода на катион натрия, мы получим уже среднюю соль фосфит натрия Na₂HPO₃ несмотря на наличие одного водорода. Если брать второе исключение - фосфорноватистую кислоту H₃PO₂ – то в ней только один кислый атом водорода. Можно заменить его на натрий и получить среднюю соль гипофосфит натрия NaH₂PO₂, и пусть нас не смущают два атома водорода, потому что они некислые.

Случаи с солями фосфорсодержащих кислот, которые кажутся кислыми, но ими не являются, очень часто встречаются в задании 5 ЕГЭ по химии. Нужно обратить особое внимание на то, к каким классам относить эти соединения.  

Основные соли.

Соли также можно получить по реакции гидроксида металла с кислотой. Такое взаимодействие называется реакцией нейтрализации. Можно подобрать концентрации реагирующих веществ таким образом, что в гидроксиде не все, а только часть ОН-групп заместится на кислотный остаток. Именно такие соли и называются основными. Понятно, что основные соли могут образовывать только двух- и трехкислотные основания-гидроксиды. В таком случае в названии появляется приставка «гидроксо», отражающее наличие группы ОН в формуле соли. На рисунке ниже приведена схема гидроксохлорида алюминия:

Важный пример основной соли, которую необходимо знать, - это гидроксокарбонат меди (II) или карбонат гидроксомеди (II). Он имеет формулу (CuOH)₂CO₃ и иногда еще записывается как Cu(OH)₂∙CuCO₃. Это вещество может фигурировать в задании экзамена под названием «малахит».

5. Комплексные соединения.

В школьном курсе мы практически не имеем дело с комплексными соединениями, хотя они и появляются в некоторых реакциях. Здесь мы дадим самое общее понятие о таких соединениях, необходимое для решения заданий экзамена.

Основу комплексных соединений составляет комплекс, образованный центральным атомом-комплексообразователем с некоторыми атомами или группами атомов, которые называются лигандами. Комплексные соединения могут быть солями, кислотами и основаниями.

Примерами комплексных солей, с которыми мы постоянно имеем дело в школьном курсе, могут послужить продукты растворения амфотерных гидроксидов в щелочах. Например, тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)₄]. Здесь комплексообразователем выступает атом алюминия, с которым соединяются четыре лиганда, представленные ОН-группами. Аналогичные комплексные соли – это Na₂[Zn(OH)₄] или Na₃[Сr(OH)₆]. ОН-группа, разумеется, не единственный возможный лиганд. На экзамене может встретиться, например, гексацианоферрат (II) калия с формулой K₄[Fe(CN)₆]. Здесь лигандом является анион CN^-, называемый «цианом». Или гексафтороалюминат натрия с формулой Na₃[AlF₆], у которого лигандом является F^-. Примером комплексного основания может послужить аммиачный раствор оксида серебра: [Ag(NH₃)₂]OH. Это вещество участвует в реакции серебряного зеркала с альдегидами. Важно также знать правильное название этого комплекса с точки зрения правил номенклатуры комплексных соединений: гидроксид диамминсеребра (I). В этом названии пишется «аммин», а не «амин». Еще это вещество называют реактивом Толленса.

6. Ковалентные галогениды.

В этом задании на экзамене также могут встретиться соединения, внешне похожие на соли, но солями не являющиеся. Речь идет о так называемых ковалентных галогенидах, примеры которых можно привести ниже:

PCl₅ – хлорид фосфора (V) 
PCl₃ – хлорид фосфора (III) 
SiCl₄ – хлорид кремния (IV) 
SF₆ – фторид серы (VI)

Эти вещества не являются солями, потому что в них нет ионной связь, тогда как в настоящих солях ионная связь обязательно должна быть. Соли чаще всего образованы катионом металла и анионом кислотного остатка. Если такие соли растворимы, то они как раз распадаются (диссоциируют) на ионы. Например:

NaCl = Na⁺ + Cl^-

Похожий процесс с хлоридами неметаллов невозможен, то есть распад на ионы типа PCl₃ = P³⁺ + 3Cl^- не протекает, поскольку в таких хлоридах нет ионной связи. Они содержат ковалентную связь неметалл-галоген и поэтому называются ковалентными галогенидами. В задании эти соединения часто даются для того, чтобы их ошибочно приняли за соли.

На этом обзор классов неорганических веществ можно закончить. Все самое необходимое для экзамена в нашем материале мы обсудили. Это подробное руководство поможет вам разобраться с тем, как решать задание 5 ЕГЭ по химии.