Задание 9 ЕГЭ по химии: взаимосвязь неорганических веществ

Что проверяет задание

Задание 9 проверяет умение видеть химические связи между классами неорганических веществ: простыми веществами, оксидами, основаниями, кислотами и солями. По сути, экзаменатор даёт схему превращений вида $A \xrightarrow{X} B \xrightarrow{Y} C$ и просит определить, какие вещества из предложенного списка могут стоять на месте $X$ и $Y$ — то есть какие реагенты нужно добавить к веществу $A$, чтобы получить $B$, и к веществу $B$, чтобы получить $C$.

Задание требует не заучивания конкретных уравнений, а понимания логики генетической связи веществ: из простого вещества можно получить оксид, из оксида — гидроксид или соль, из соли — другую соль или свободный элемент, и так далее. Также проверяется знание характерных реакций металлов, неметаллов, оксидов, кислот, оснований и солей друг с другом.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка звучит так: «Задана следующая схема превращений веществ: $A \xrightarrow{X} B \xrightarrow{Y} C$. Определите, какие из указанных веществ являются веществами $X$ и $Y$». Далее приводится список из пяти веществ, пронумерованных цифрами от 1 до 5. Нужно выбрать два вещества — одно на роль $X$, другое на роль $Y$ — и записать их номера в виде двузначного числа в порядке XY.

Задание оценивается двумя баллами. Полный балл (2 балла) даётся, если оба номера указаны верно и в правильном порядке. Если верно указан только один номер (или оба номера верны, но перепутан порядок — тогда обычно засчитывается частичный балл согласно критериям, где допускается запись в любом порядке при условии верного набора цифр), можно получить 1 балл. Важно внимательно читать критерии конкретного варианта: иногда порядок цифр не важен и засчитывается любая перестановка правильных чисел (как в примере 3, где верны оба варианта записи 25 и 52).

Правильный ответ — это последовательность двух цифр без пробелов, например «13» или «14».

Что нужно знать

Для уверенного решения задания 9 нужно держать в голове следующий набор фактов и определений.

• Простое вещество — состоит из атомов одного элемента: металлы ($Fe$, $Mg$, $Ca$, $Cu$), неметаллы ($N_2$, $C$, $S$, $P_4$, $Cl_2$).
• Оксид — соединение элемента с кислородом в степени окисления $-2$, общая формула $Э_xO_y$. Основные оксиды образуют металлы с невысокой степенью окисления ($CaO$, $MgO$, $FeO$), кислотные — неметаллы и металлы с высокой степенью окисления ($CO_2$, $P_2O_5$, $SO_3$).
• Основание (гидроксид) — соединение вида $Me(OH)_n$, например $Ca(OH)_2$, $Mg(OH)_2$; получается при взаимодействии активного металла или его оксида с водой.
• Кислота — соединение, диссоциирующее с образованием $H^+$, например $HCl$, $H_2SO_4$, $H_3PO_4$.
• Соль — продукт взаимодействия кислоты и основания (или другие реакции обмена), например $Ca_3(PO_4)_2$, $Fe_3O_4$ (можно рассматривать как смешанный оксид, фактически соль $Fe(FeO_2)_2$).
• Ряд активности металлов: чем левее металл, тем легче он вступает в реакции с кислотами, водой, вытесняет менее активные металлы из солей.
• Восстановители типичные для ЕГЭ: $H_2$, $C$, $CO$, активные металлы — используются для восстановления оксидов до простых веществ или низших оксидов.
• Реакции металлов с неметаллами: $Mg + N_2 \rightarrow Mg_3N_2$; $Fe + O_2 \rightarrow Fe_3O_4$ (при неполном сгорании железа образуется смешанный оксид).
• Гидролиз и взаимодействие солей с водой/кислотами/щелочами — часто используется как переходное звено между солью и гидроксидом или другой солью.
• Реакции разложения при нагревании: соли и гидроксиды могут разлагаться на оксиды и другие продукты, это часто встречающийся тип превращения $X$ или $Y$.
• Формулы фосфатов кальция: $Ca(H_2PO_4)_2$ — дигидрофосфат (кислая соль), $CaHPO_4$ — гидрофосфат, $Ca_3(PO_4)_2$ — средняя соль (ортофосфат); переход между ними идёт через добавление или удаление $Ca(OH)_2$ либо кислоты.

Методы решения

Метод 1. Анализ по классам веществ. Определите, к какому классу относится каждое вещество в схеме (простое вещество, оксид, кислота, основание, соль), и вспомните, какие переходы между классами возможны. Например, переход от простого вещества металла к оксиду требует кислорода или окислителя; переход от оксида к соли — кислоты или основания.

Пример: в схеме $Fe \xrightarrow{X} Fe_3O_4$ вещество $X$ должно быть окислителем, реагирующим с железом. Подходит $O_2$ (кислород), но его в списке может не быть — тогда ищут альтернативный путь, например через воду при высокой температуре: $3Fe + 4H_2O \rightarrow Fe_3O_4 + 4H_2$.

Метод 2. Баланс атомов и степеней окисления. Проверяйте, что предполагаемая реакция физически возможна: атомы должны сохраняться, степени окисления должны логично меняться (окислитель — восстановитель).

Пример: $Fe_3O_4 \xrightarrow{Y} FeO$ — это восстановление железа от смешанной степени окисления $+8/3$ к $+2$. Восстановителем может быть $C$ (уголь), $CO$ или $H_2$. Если в списке есть углерод, это подходящий кандидат: $Fe_3O_4 + C \rightarrow 3FeO + CO$.

Метод 3. Учёт кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов. Основные оксиды реагируют с кислотами, кислотные — с основаниями, амфотерные — и с тем, и с другим. Используйте это для определения промежуточного вещества между оксидом и солью.

Пример: чтобы перевести $Ca_3(PO_4)_2$ (соль) обратно в $P_4$ (простое вещество фосфор), нужен восстановитель — углерод в присутствии кремнезёма: $Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 \rightarrow 3CaSiO_3 + 5CO + P_2 (или P_4)$. Здесь ключевая подсказка — углерод как типичный восстановитель фосфатов.

Метод 4. Прямой перебор вариантов из списка. Если теоретический анализ затруднён, подставляйте по очереди каждое вещество из списка на место $X$ и $Y$ и проверяйте, получается ли реально существующая и осмысленная реакция. Отбрасывайте варианты, которые логически невозможны (например, кислота не может напрямую восстановить оксид металла до более низкой степени окисления без специальных условий).

Пример: в списке даны $H_2O$, $CO_2$, $C$, $HCl$, $H_2SO_4$ для схемы с железом. Перебор: $HCl$ и $H_2SO_4$ — кислоты, они бы растворяли оксид, а не окисляли металл до $Fe_3O_4$, значит не подходят на роль $X$. $CO_2$ не реагирует с железом при обычных условиях. Остаётся $H_2O$ (при высокой температуре с железом даёт $Fe_3O_4$) — подходит для $X$, а $C$ подходит для восстановления $Fe_3O_4$ до $FeO$ — подходит для $Y$.

Метод 5. Использование типовых переходов «простое вещество — нитрид/оксид — гидроксид/кислота». Многие схемы построены по одному шаблону: простое вещество + активный металл или неметалл $\rightarrow$ бинарное соединение $\rightarrow$ дальнейшая гидролизная реакция с водой или кислотой даёт кислоту, основание или соль.

Пример: $N_2 \xrightarrow{X} Mg_3N_2 \xrightarrow{Y} NH_3$. Здесь $X$ — это магний (простое вещество реагирует с азотом при нагревании: $3Mg + N_2 \rightarrow Mg_3N_2$), а $Y$ — вода, так как нитрид магния гидролизуется водой с выделением аммиака: $Mg_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Mg(OH)_2 + 2NH_3$.

Алгоритм решения по шагам

1. Определите класс каждого вещества в основной схеме ($A$, $B$, $C$) — простое вещество, оксид, гидроксид, кислота или соль.
2. Проанализируйте изменение состава и степеней окисления при переходе от $A$ к $B$ и от $B$ к $C$. Задайте вопрос: что добавляется или отнимается (кислород, водород, катион металла, анион кислоты)?
3. Сформулируйте тип реакции для каждого шага: окисление, восстановление, реакция обмена, гидролиз, реакция соединения или разложения.
4. Просмотрите список предложенных веществ и определите класс каждого из них.
5. Подберите вещество, логически соответствующее типу реакции, отдельно для $X$ и отдельно для $Y$. Проверьте, что уравнение реакции реально можно составить и оно сбалансировано по массе и заряду.
6. Проверьте совместимость с условиями реакции — учитывайте, что некоторые реакции идут только при нагревании, в растворе или при определённом избытке реагента.
7. Запишите номера веществ в требуемом порядке XY и сверьте логичность всей цепочки от $A$ до $C$ ещё раз целиком.

Разбор примеров

Пример 1. Дана схема: $Fe \xrightarrow{X} Fe_3O_4 \xrightarrow{Y} FeO$. Список веществ: 1) $H_2O$; 2) $CO_2$; 3) $C$; 4) $HCl$; 5) $H_2SO_4$.

Шаг 1. Железо — простое вещество, $Fe_3O_4$ — смешанный оксид железа (степени окисления $+2$ и $+3$), $FeO$ — оксид со степенью окисления $+2$.

Шаг 2. Переход от простого вещества к оксиду требует окислителя. Переход от $Fe_3O_4$ к $FeO$ требует восстановителя, так как средняя степень окисления железа снижается от $+8/3$ к $+2$.

Шаг 3. Ищем в списке окислитель для железа, дающий именно смешанный оксид $Fe_3O_4$, а не $Fe_2O_3$. Классическая реакция — взаимодействие железа с водяным паром при высокой температуре: $3Fe + 4H_2O \rightarrow Fe_3O_4 + 4H_2$. Это соответствует веществу под номером 1 ($H_2O$).

Шаг 4. Кислоты $HCl$ и $H_2SO_4$ не подходят на роль $X$, так как при взаимодействии железа с кислотами образуются соли железа, а не оксид. $CO_2$ с железом не реагирует в обычных условиях.

Шаг 5. Для восстановления $Fe_3O_4$ до $FeO$ нужен восстановитель. Углерод — типичный восстановитель оксидов металлов при высокой температуре: $Fe_3O_4 + C \rightarrow 3FeO + CO$. Это вещество под номером 3.

Шаг 6. Итог: $X = 1$ ($H_2O$), $Y = 3$ ($C$). Ответ записывается как 13, что совпадает с эталонным ответом.

Пример 2. Дана схема: $Ca(H_2PO_4)_2 \xrightarrow{X} Ca_3(PO_4)_2 \xrightarrow{Y} P_4$. Список веществ: 1) $Ca(OH)_2$; 2) $H_2O$; 3) $Ca$; 4) $C$; 5) $H_2SO_4$.

Шаг 1. $Ca(H_2PO_4)_2$ — кислая соль (дигидрофосфат кальция), $Ca_3(PO_4)_2$ — средняя соль (ортофосфат кальция), $P_4$ — простое вещество фосфор.

Шаг 2. Переход от кислой соли к средней соли — это реакция нейтрализации избыточных атомов водорода в кислой соли, для чего нужно основание. По количеству атомов кальция и фосфора видно, что нужно добавить именно гидроксид кальция, чтобы связать оставшиеся протоны фосфатных групп: $Ca(H_2PO_4)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 + 4H_2O$. Это вещество под номером 1.

Шаг 3. Переход от соли (ортофосфата кальция) к простому веществу фосфору — это реакция восстановления, при которой фосфор в степени окисления $+5$ переходит в фосфор в степени окисления $0$. Такой процесс происходит при прокаливании фосфата кальция с углём и песком (промышленный способ получения фосфора): $Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 \rightarrow 3CaSiO_3 + 5CO + P_2$ (в схемах ЕГЭ обычно записывают конечный продукт как $P_4$). Восстановителем здесь служит углерод — вещество под номером 4.

Шаг 4. Проверяем остальные варианты: $H_2O$ не может восстановить фосфор; $Ca$ (простое вещество) не используется как реагент на этом этапе, так как его химически невыгодно тратить для восстановления фосфата; $H_2SO_4$ — кислота, она бы разрушила соль иначе, но не даст переход к простому фосфору.

Шаг 5. Итог: $X = 1$ ($Ca(OH)_2$), $Y = 4$ ($C$). Ответ 14, что совпадает с эталоном.

Пример 3. Дана схема: $N_2 \xrightarrow{X} Mg_3N_2 \xrightarrow{Y} NH_3$. Список веществ: 1) $Mg(OH)_2$; 2) $Mg$; 3) $MgO$; 4) $HCl$; 5) $H_2O$.

Шаг 1. $N_2$ — простое вещество азот, $Mg_3N_2$ — нитрид магния (бинарное соединение металла и неметалла), $NH_3$ — аммиак, водородное соединение азота.

Шаг 2. Переход от азота к нитриду магния — это реакция азота с металлом магнием при нагревании: $3Mg + N_2 \rightarrow Mg_3N_2$. Значит, $X$ должно быть простым веществом магнием — номер 2.

Шаг 3. Переход от нитрида магния к аммиаку — это реакция гидролиза нитрида водой: $Mg_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Mg(OH)_2 + 2NH_3$. Значит, $Y$ должно быть водой — номер 5.

Шаг 4. Проверяем оставшиеся варианты: $Mg(OH)_2$ и $MgO$ не реагируют с $N_2$, чтобы дать нитрид; $HCl$ разрушил бы нитрид иначе, образуя хлорид аммония и хлорид магния, а не чистый аммиак напрямую по этой простой схеме.

Шаг 5. Итог: $X = 2$ ($Mg$), $Y = 5$ ($H_2O$). Ответ записывается как 25 (или 52, если порядок не важен по критериям), что совпадает с эталонным ответом.

Типичные ошибки и ловушки

• Путаница между похожими формулами оксидов и солей. Например, $Fe_3O_4$ часто путают с простой смесью $FeO$ и $Fe_2O_3$, забывая, что это единое соединение со своими характерными реакциями образования и восстановления.
• Неучёт условий реакции. Некоторые превращения возможны только при нагревании или в присутствии катализатора; выбор вещества без учёта этого условия может привести к формально «правильной», но нереализуемой на практике реакции.
• Игнорирование баланса степеней окисления. Если переход требует восстановления, а выбранное вещество — само окислитель (например, кислота вместо угля), реакция не пойдёт в нужную сторону.
• Путаница порядка XY. Даже при правильном определении обоих веществ легко переставить их местами и получить неверную запись ответа; всегда сверяйте, какое вещество стоит на первой, а какое на второй позиции в схеме.
• Забывание про кислые и средние соли. Кислые соли (например, дигидрофосфаты, гидрокарбонаты) часто встречаются в схемах, и их превращение в средние соли требует именно основания в нужном количестве, а не любой щелочи или воды.
• Неправильный выбор восстановителя или окислителя из списка. Иногда в списке присутствуют несколько похожих по функции веществ (несколько кислот или несколько простых веществ), и нужно точно определить, какое из них даёт именно указанный продукт, а не любой похожий.
• Пропуск проверки всей цепочки целиком. После выбора $X$ и $Y$ полезно ещё раз прочитать всю схему от начала до конца и убедиться, что переходы логически связаны и не противоречат друг другу.

Как готовиться

Для уверенного выполнения задания 9 стоит регулярно повторять таблицу генетической связи классов неорганических веществ: простое вещество → оксид → гидроксид/кислота → соль → снова простое вещество (через восстановление). Полезно составить для себя краткий список типичных переходов с конкретными формулами реакций, которые чаще всего встречаются на экзамене: получение оксидов металлов при взаимодействии с водой и кислородом, восстановление оксидов углём и водородом, реакции нейтрализации кислых солей основаниями, гидролиз нитридов и карбидов, взаимодействие металлов с неметаллами при нагревании.

При тренировке решайте задания разных лет и разных сборников, обращая внимание не только на правильный ответ, но и на полное уравнение реакции для каждого перехода — это укрепляет понимание, а не механическое запоминание. Хорошей практикой является составление собственных схем превращений на основе изученных классов веществ и попытка самостоятельно подобрать промежуточные реагенты, прежде чем сверяться с готовым решением.

Особое внимание уделите свойствам оксидов и солей фосфора, азота, серы и переходных металлов (железо, медь, хром), так как эти элементы чаще всего фигурируют в заданиях благодаря разнообразию степеней окисления и типов соединений. Также важно помнить о промышленных способах получения простых веществ (фосфора, серы, кремния) из их соединений — эти реакции нередко встречаются как финальное звено схемы.

Наконец, при разборе тренировочных вариантов старайтесь классифицировать задания по типу перехода (окисление, восстановление, гидролиз, реакция обмена, реакция нейтрализации) — так вырабатывается быстрый навык узнавания нужного метода уже при первом чтении условия, что существенно экономит время на экзамене.