Задание 13 ОГЭ по химии: электролиты, катионы и анионы

Что проверяет задание

Задание 13 проверяет умение определять электролиты и неэлектролиты, а также правильно записывать уравнения диссоциации веществ и считать количество катионов и анионов, образующихся при растворении. По сути это задание на работу с формулами солей, кислот и оснований и на понимание того, что происходит с веществом в водном растворе.

В основе задания лежит простая идея: любое растворимое в воде вещество с ионной или сильно полярной связью распадается на ионы — катионы (положительно заряженные) и анионы (отрицательно заряженные). Число этих ионов зависит от формулы вещества и от заряда составляющих его частиц. Именно подсчёт ионов и сравнение их количества между разными веществами — главная суть задания.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка звучит так: «Выберите два вещества, при полной диссоциации 1 моль которых образуется столько-то моль анионов (или катионов, или общее число ионов)» либо «выберите вещества, при диссоциации которых образуется одинаковое количество катионов и анионов». Даётся список из пяти веществ (формулы солей, кислот, оснований), из которых нужно выбрать два подходящих.

Ответ записывается как последовательность двух цифр без пробелов и знаков — например, «25» или «52», порядок цифр не важен, система засчитывает оба варианта записи. За верный ответ, где оба числа названы правильно, даётся 2 балла. Если из двух цифр указана только одна правильная — начисляется 1 балл. При полностью неверном ответе баллы не начисляются.

Что нужно знать

• Электролиты — вещества, которые в растворе или расплаве распадаются на ионы и проводят электрический ток. К ним относятся растворимые соли, кислоты, щёлочи.
• Неэлектролиты — вещества, не распадающиеся на ионы (большинство органических соединений, например сахар, спирты, а также некоторые оксиды).
• Диссоциация — процесс распада электролита на ионы при растворении в воде. Записывается уравнением вида $\text{соль} \rightarrow \text{катион} + \text{анион}$.
• Катион — положительно заряженный ион, образуется из металла или иона аммония $NH_4^+$.
• Анион — отрицательно заряженный ион, образуется из кислотного остатка или гидроксогруппы $OH^-$.
• Заряд катиона металла равен степени окисления этого металла в соединении: $Na^+$, $Ca^{2+}$, $Al^{3+}$, $Fe^{3+}$.
• Заряд анионов кислотных остатков стандартный и нужно помнить наизусть: $Cl^-$, $NO_3^-$ (заряд $-1$); $SO_4^{2-}$, $CO_3^{2-}$ (заряд $-2$); $PO_4^{3-}$ (заряд $-3$).
• Число ионов каждого вида при диссоциации равно числу этих частиц в формуле вещества, умноженному на коэффициент перед формулой (индекс).
• Общее число ионов = число катионов + число анионов при диссоциации 1 моль вещества.
• Сумма положительных зарядов всех катионов должна быть равна по модулю сумме отрицательных зарядов всех анионов (закон электронейтральности раствора).

Методы решения

Метод 1. Запись полного уравнения диссоциации. Любую формулу соли нужно мысленно (или письменно) разложить на катион и анион, расставив коэффициенты по индексам в формуле. Например, для $Al_2(SO_4)_3$: $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$. Здесь 2 катиона и 3 аниона, всего 5 ионов.

Метод 2. Подсчёт анионов по индексу перед кислотным остатком. Число анионов равно индексу, стоящему перед формулой кислотного остатка (или перед $OH$ в основаниях). Пример: в $FeCl_3$ три атома хлора, значит образуется 3 аниона $Cl^-$: $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$.

Метод 3. Подсчёт катионов по индексу перед металлом. Аналогично, число катионов равно числу атомов металла (или ионов аммония) в формуле. Пример: $Na_3PO_4 \rightarrow 3Na^+ + PO_4^{3-}$ — три катиона натрия и один анион фосфата.

Метод 4. Проверка равенства зарядов. После записи уравнения диссоциации полезно проверить, что суммарный положительный заряд равен суммарному отрицательному. Для $CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$: заряд катиона $+2$, суммарный заряд анионов $2 \times (-1) = -2$ — совпадает, уравнение верно.

Метод 5. Сравнение количества ионов между веществами списка. Когда нужно выбрать два вещества с одинаковым или заданным числом ионов, удобно составить таблицу: для каждого вещества из списка отдельно посчитать число катионов и число анионов, а затем сравнить полученные числа с условием задачи.

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитать условие и понять, что именно требуется: число анионов, число катионов или их равенство.
2. Для каждого вещества из списка записать формулу и определить, из каких частиц оно состоит: металл (или $NH_4^+$) и кислотный остаток (или $OH^-$).
3. Записать уравнение полной диссоциации, расставив коэффициенты в соответствии с индексами исходной формулы.
4. Посчитать количество катионов и количество анионов, образующихся из 1 моль вещества.
5. Сравнить полученные числа с условием задания для каждого из пяти вариантов.
6. Выбрать два вещества, которые точно удовлетворяют условию.
7. Записать ответ в виде двух цифр без разделителей, порядок не важен.

Разбор примеров

Пример 1. Выберите два вещества, при полной диссоциации 1 моль которых образуется 3 моль анионов: 1) фосфат калия, 2) нитрат алюминия, 3) нитрат натрия, 4) сульфат меди(II), 5) хлорид железа(III).

Разберём каждую формулу.

1. $K_3PO_4 \rightarrow 3K^+ + PO_4^{3-}$ — 3 катиона, 1 анион. Анионов только 1, не подходит.

2. $Al(NO_3)_3 \rightarrow Al^{3+} + 3NO_3^-$ — 1 катион, 3 аниона. Подходит.

3. $NaNO_3 \rightarrow Na^+ + NO_3^-$ — 1 катион, 1 анион. Не подходит.

4. $CuSO_4 \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}$ — 1 катион, 1 анион. Не подходит.

5. $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$ — 1 катион, 3 аниона. Подходит.

Подходят вещества 2 и 5. Ответ: 25 (или 52).

Пример 2. Выберите два вещества, при полной диссоциации 1 моль которых образуется 2 моль анионов: 1) хлорид железа(III), 2) сульфат железа(II), 3) хлорид кальция, 4) карбонат натрия, 5) нитрат бария.

1. $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$ — 3 аниона. Не подходит.

2. $FeSO_4 \rightarrow Fe^{2+} + SO_4^{2-}$ — 1 анион. Не подходит.

3. $CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$ — 2 аниона. Подходит.

4. $Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}$ — 1 анион. Не подходит.

5. $Ba(NO_3)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2NO_3^-$ — 2 аниона. Подходит.

Подходят вещества 3 и 5. Ответ: 35 (или 53).

Пример 3. Выберите два вещества, при полной диссоциации которых образуется одинаковое количество катионов и анионов: 1) $Na_3PO_4$, 2) $ZnSO_4$, 3) $FeCl_3$, 4) $Ca(NO_3)_2$, 5) $NaCl$.

1. $Na_3PO_4 \rightarrow 3Na^+ + PO_4^{3-}$ — 3 катиона и 1 анион. Числа не равны.

2. $ZnSO_4 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-}$ — 1 катион и 1 анион. Числа равны.

3. $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$ — 1 катион и 3 аниона. Числа не равны.

4. $Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^-$ — 1 катион и 2 аниона. Числа не равны.

5. $NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-$ — 1 катион и 1 анион. Числа равны.

Подходят вещества 2 и 5. Ответ: 25 (или 52).

Во всех трёх примерах видно, что решение сводится к одному и тому же действию: аккуратно записать уравнение диссоциации для каждого вещества, посчитать ионы и сравнить с требованием задачи.

Типичные ошибки и ловушки

• Путаница с зарядами кислотных остатков. Часто забывают, что заряд $SO_4^{2-}$ равен $-2$, а не $-1$, или путают $PO_4^{3-}$ с $PO_3^{3-}$. Стоит выучить таблицу растворимости и заряды основных кислотных остатков наизусть.
• Неправильный подсчёт по индексам в скобках. В формулах вида $Al(NO_3)_3$ или $Ca(NO_3)_2$ индекс относится ко всей группе в скобках, а не к одному атому. Нужно умножать весь кислотный остаток на индекс, а не только последний элемент.
• Смешение количества атомов и количества ионов. Например, в $FeCl_3$ три атома хлора дают три отдельных иона $Cl^-$, а не один многозарядный ион.
• Забывают учесть степень окисления металла с переменной валентностью. Железо может быть $Fe^{2+}$ или $Fe^{3+}$, и это определяет заряд катиона, а также нужно проверить, что суммарный заряд катионов равен суммарному заряду анионов — это удобный способ самопроверки.
• Считают общее число ионов вместо катионов или анионов отдельно. Важно внимательно читать условие: спрашивают именно про анионы, именно про катионы или про их равенство — эти три постановки задачи различаются.
• Не доводят диссоциацию до конца. Некоторые слабые электролиты или кислоты диссоциируют ступенчато, но в рамках ОГЭ обычно рассматривается полная диссоциация сильных электролитов — солей, сильных кислот и щелочей, поэтому нужно записывать распад сразу на все ионы.

Как готовиться

Лучший способ подготовки — выучить заряды самых распространённых катионов и анионов и довести до автоматизма навык быстрой записи уравнения диссоциации по формуле. Составьте себе короткую таблицу: металлы и их типичные заряды ($Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$, $Al^{3+}$, $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Cu^{2+}$, $Zn^{2+}$) и кислотные остатки с их зарядами ($Cl^-$, $NO_3^-$, $OH^-$ — заряд $-1$; $SO_4^{2-}$, $CO_3^{2-}$ — заряд $-2$; $PO_4^{3-}$ — заряд $-3$).

Потренируйтесь писать уравнения диссоциации для десятка разных солей — сульфатов, хлоридов, нитратов, фосфатов, карбонатов разных металлов, — каждый раз считая число катионов, число анионов и общее число ионов. Полезно решать задания в парах: сначала сформулировать себе условие («найди вещество с 2 анионами»), а потом проверить себя по формуле.

Обязательно решайте типовые варианты заданий этого номера подряд, чтобы натренировать скорость: на экзамене важно быстро распознавать формулу, сразу видеть коэффициенты и не путаться в подсчёте. После каждой ошибки возвращайтесь к таблице зарядов и разбирайте, где именно был неверный шаг — в определении заряда иона или в подсчёте количества частиц по индексу формулы.