Цепочки превращений

9 заданий

Якоря и направление поиска

В такой задаче вещества A, B, C и последующие соединены последовательными реакциями, но часть веществ неизвестна. Начинать поиск удобно с признаков, которые помогают установить одно из них. Такие опорные признаки называют якорями:

Окраска помогает узнать голубые растворы \(\ce{Cr^2+}\) и \(\ce{Cu^2+}\), фиолетовые \(\ce{Ti^3+}\) и \(\ce{MnO4-}\), жёлтый хромат, оранжевый дихромат, изумрудный \(\ce{[Cr(OH)6]^3-}\) и зелёный манганат.
Свойства газов позволяют распознать бурый \(\ce{NO2}\), жёлто-зелёный \(\ce{Cl2}\), \(\ce{H2S}\) с запахом тухлых яиц и \(\ce{CO2}\), который вызывает помутнение известковой воды.
Вид осадка служит подсказкой: AgCl является белым творожистым осадком, AgI — жёлтым, CuS — чёрным, \(\ce{Cu(OH)2}\) — синим, \(\ce{Fe(OH)3}\) — бурым, а \(\ce{BaSO4}\) — белым.
Количественные данные тоже помогают установить вещество: используют молярную массу газа, рассчитанную по плотности, долю элемента или изменение массы.

Установив одно вещество, проверяют, что может образоваться из него на следующей стадии и из чего оно могло получиться на предыдущей. Так последовательно восстанавливают всю цепочку. При этом отдельный цвет не всегда определяет вещество однозначно: предположение нужно согласовать с соседними стадиями.

edit_noteЦепочка хрома

Хром растворяется в HCl без доступа воздуха с образованием голубого B (\(\ce{CrCl2}\)). На воздухе B окисляется до зелёного C (\(\ce{CrCl3}\)). При добавлении избытка NaOH образуется изумрудный D (\(\ce{Na3[Cr(OH)6]}\)). Затем бром окисляет хром с образованием жёлтого E (\(\ce{Na2CrO4}\)), а при действии серной кислоты получают оранжевый F (\(\ce{Na2Cr2O7}\)). Таким образом, наблюдаемые изменения окраски помогают определить вещества и направление превращений.

Совместимость стадий и условия

Определить вещества недостаточно: для каждого перехода нужно подобрать реакцию, которая действительно приводит к указанному продукту. Важны не только реагенты, но и их избыток, среда и условия проведения реакции.

Реагент стадии \(n\) не должен разрушать продукт стадии \(n - 1\) (например, избыток щёлочи растворит амфотерный гидроксид; избыток кислоты разрушит карбонат).
Среду подбирают с учётом окислительно-восстановительной реакции: окисление Cr(III) проводят в щелочной среде, а восстановление Cr(VI) — в кислой.
Температуру, катализатор и растворитель указывают над стрелкой в уравнении реакции.
Если при предполагаемом переходе изменяются и состав вещества, и степень окисления элемента, проверяют, не пропущена ли промежуточная стадия.

boltПропущенная стадия

При обжиге \(\ce{FeS2}\) образуются \(\ce{Fe2O3}\) и \(\ce{SO2}\), а не \(\ce{Fe2(SO4)3}\). Чтобы получить сульфат по этому пути, затем растворяют оксид в серной кислоте. Поэтому предполагаемый переход от пирита к сульфату нельзя описывать как одну стадию обжига: нужно указать последующую реакцию. Если в предлагаемом превращении степень окисления элемента меняется сразу на несколько единиц и одновременно меняется анион, проверьте, не пропущена ли промежуточная стадия.

scienceСовместимые стадии

\(\ce{AlCl3 + 3NH3 + 3H2O -> Al(OH)3 v + 3NH4Cl}\) — аммиак осаждает гидроксид алюминия и, в отличие от избытка NaOH, не растворяет его.
\(\ce{Na[Al(OH)4] + CO2 -> Al(OH)3 v + NaHCO3}\) — углекислый газ осаждает гидроксид алюминия, не растворяя его.
\(\ce{2FeCl3 + Fe -> 3FeCl2}\) — железо восстанавливает железо(III), при этом в раствор не вводятся посторонние ионы.

Цепочки с неизвестными реагентами

Иногда вещества в цепочке известны, а подобрать нужно реагенты. Тогда сначала сравнивают вещества до и после каждой реакции: характер изменения подсказывает, какое превращение требуется.

Если меняется только кислотно-основная форма вещества при переходе от соли к гидроксиду или комплексу, рассматривают действие кислоты, щёлочи, аммиака или \(\ce{CO2}\).
Если меняется степень окисления, подбирают окислитель или восстановитель подходящей силы и учитывают среду реакции.
Если меняется анион, рассматривают реакцию обмена, при которой образуется осадок или газ.
Если меняется агрегатное состояние, проверяют, требуется ли нагревание или разложение.

edit_noteСера

Последовательность превращений можно записать так: \(\ce{S ->[O2] SO2 ->[O2, V2O5] SO3 ->[H2O] H2SO4 ->[Cu, t] SO2 ->[H2S] S}\). Для получения оксида серы при взаимодействии кислоты с медью серная кислота должна быть концентрированной. Последняя стадия представляет собой сопропорционирование — реакцию, в которой атомы одного элемента с разными степенями окисления переходят в одну промежуточную степень: \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O}\). В конце цепочки вновь образуется сера.

boltПроверка по массам

Если в условии приведены массы или объёмы, рассчитайте их по составленным уравнениям. Совпадение с исходными данными подтверждает, что предложенная цепочка согласуется с условием, но не заменяет проверки каждой реакции.

push_pinГлавное

При восстановлении цепочки сначала выписывают цвета, осадки, газы, массы и условия, затем по наиболее характерным признакам устанавливают вещества и проверяют соседние стадии в обоих направлениях. Например, голубой раствор, зеленеющий на воздухе, указывает на \(\ce{Cr^2+}\); бурый газ характерен для \(\ce{NO2}\), а жёлтый осадок, образующийся при добавлении \(\ce{Ag+}\) и не растворяющийся в \(\ce{HNO3}\), — для AgI. Для каждой стадии выясняют, изменяется ли степень окисления, какие нужны окислитель или восстановитель и среда, а также не препятствуют ли выбранные условия получению промежуточного вещества. После этого сверяют рассчитанные массы и объёмы с условием. Общий выход многостадийного синтеза находят как произведение выходов стадий, выраженных долями единицы.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.