Неметаллы и их соединения

Хлор пропускают через раствор щёлочи. Если раствор холодный, образуется гипохлорит: Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O. Если горячий, получается хлорат: 3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O. Ученик, запомнивший одно из уравнений, пишет его в обоих случаях, и разница в «холодный или горячий», стоящая в условии одним словом, стоит ему целого балла.

У металлов вопрос задаётся про окислитель: до какой степени окисления он доведёт металл, и эта сторона разобрана в статье о металлах и их соединениях. У неметаллов вопрос другой: какие ступени проходит сам элемент и в какую сторону он пойдёт с данным партнёром. Один и тот же неметалл, азот или сера, может быть и окислителем, и восстановителем, и от этого зависит всё остальное.

Лестница степеней окисления

У азота в школьных задачах встречаются −3 (аммиак), 0 (простое вещество), +1 (N2O), +2 (NO), +3 (азотистая кислота и нитриты), +4 (NO2) и +5 (азотная кислота). У серы четыре ступени: −2 (сероводород и сульфиды), 0, +4 (SO2 и сульфиты), +6 (серная кислота). У хлора в школьных задачах −1, 0, +1 (гипохлориты), +5 (хлораты) и +7 (хлорная кислота).

Правило двух крайних ступеней даёт больше, чем кажется. Вещество с элементом в низшей степени окисления может только отдавать электроны: сероводород и аммиак — восстановители. Вещество с элементом в высшей степени может только принимать: концентрированная серная кислота и азотная кислота — окислители. Промежуточная ступень допускает оба направления, и выбор делает партнёр. SO2 окисляет сероводород, 2H2S + SO2 = 3S + 2H2O, и тот же SO2 восстанавливает бром, SO2 + Br2 + 2H2O = H2SO4 + 2HBr. Продукт предсказывается движением по лестнице: восстановитель идёт вверх, окислитель идёт вниз, и в большинстве школьных реакций достаточно знать, на какую именно ступень.

Сколько вещества взято, тоже решает: сероводород при недостатке кислорода даёт серу, 2H2S + O2 = 2S + 2H2O, при избытке сернистый газ, 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O. Слово «избыток» в условии здесь работает так же, как в задачах про соли.

Температура и среда решают продукт

Хлор в воде и в щёлочи ведёт себя по-разному, потому что это диспропорционирование: один элемент одновременно повышает и понижает степень окисления. В воде хлор образует соляную и хлорноватистую кислоты, Cl2 + H2O = HCl + HClO, причём реакция обратима. В щёлочи на холоде получается гипохлорит, при нагревании хлорат (уравнения выше), и в условии это обязательно названо: «холодный», «горячий», «при нагревании». Сера с горячей щёлочью устроена так же: 3S + 6KOH = 2K2S + K2SO3 + 3H2O, сульфид и сульфит сразу.

Азот проделывает то же самое с диоксидом: 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO, а со щёлочью получаются две соли сразу, что подробнее разобрано в статье о классах неорганических веществ. Признак, по которому диспропорционирование узнаётся с первого взгляда: исходное вещество одно, а продукты на разных сторонах лестницы.

Обратное явление, когда два вещества с одним элементом в разных степенях дают простое вещество, называют конпропорционированием. Хлорат калия с соляной кислотой: KClO3 + 6HCl = KCl + 3Cl2 + 3H2O. Хлор получается и из хлората (+5), и из хлорид-ионов (−1), и коэффициент шесть перед кислотой снова складывается из двух частей: пять молекул окисляются, одна остаётся в соли. В балансе хлор(+5) принимает пять электронов, а пять хлорид-ионов отдают по одному, и единица в коэффициенте находится сама; подробный порядок такого баланса — в статье про окислительно-восстановительные реакции.

Азот: условия меняют продукт

Аммиак с кислородом может давать два разных продукта, и условие их разводит. В присутствии катализатора идёт окисление до оксида азота(II): 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O. При горении без катализатора получается азот: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O. Ученик, запомнивший «аммиак окисляется кислородом», обычно выбирает одно из двух наугад.

Особую группу составляют разложения при нагревании, и в них продукт определяется составом соли:

• NH4NO2 = N2 + 2H2O (нитрит аммония), NH4NO3 = N2O + 2H2O (нитрат аммония);
• нитраты активных металлов до магния дают нитрит и кислород: 2KNO3 = 2KNO2 + O2;
• нитраты металлов от магния до меди дают оксид металла и смесь NO2 с кислородом: 2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2;
• нитраты менее активных металлов дают сам металл и смесь NO2 с кислородом: 2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2.

Здесь опять нужен ряд напряжений: положение металла в нём называет продукт. Заучивать четыре уравнения подряд бесполезно, а правило из трёх зон запоминается быстро.

Продукт восстановления самой азотной кислоты тоже читается по условию. Концентрированная даёт с малоактивными металлами бурый NO2, разбавленная даёт бесцветный NO, который на воздухе тут же буреет: 2NO + O2 = 2NO2. С активными металлами и очень разбавленной кислотой получаются N2O, N2 или нитрат аммония, и чем активнее металл и чем разбавленнее кислота, тем ниже по лестнице спускается азот.

Сера и концентрированная кислота

Концентрированная серная кислота окисляет, и глубина её восстановления зависит от партнёра. С медью и другими малоактивными металлами образуется SO2: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O. С активными металлами может образоваться сероводород: 4Zn + 5H2SO4 = 4ZnSO4 + H2S + 4H2O. С углеродом: C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O. Иодоводород, очень сильный восстановитель, доводит кислоту до сероводорода: 8HI + H2SO4 = 4I2 + H2S + 4H2O.

Правило здесь то же, что и на лестнице: чем сильнее восстановитель, тем глубже вниз идёт сера. С металлом эту же реакцию мы разбирали с другой стороны, и если оба описания хранить рядом, уравнение собирается быстрее. Коэффициент перед кислотой складывается из частей, как в случае меди с азотной: одни молекулы идут в соль, другие восстанавливаются.

Сернистый газ в этих задачах встречается чаще самой кислоты и ведёт себя двояко. Как кислотный оксид он реагирует со щёлочью: SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O. Как восстановитель обесцвечивает бромную воду, SO2 + Br2 + 2H2O = H2SO4 + 2HBr, и окисляется кислородом до SO3 на катализаторе: 2SO2 + O2 = 2SO3. Сама сера окисляет металлы, и ртуть, собранная с пола серой, превращается в безопасный сульфид: Hg + S = HgS.

Неожиданные случаи: кремний, фосфор, галогены

Кремний кажется инертным, но со щёлочью он реагирует: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2. Оксид кремния(IV) не растворяется в воде и не реагирует с большинством кислот, зато реагирует с плавиковой кислотой: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O. Именно на этом реагенте травят стекло. Оксид углерода(II) несолеобразующий, зато сильный восстановитель, и на этом держится доменный процесс: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2. Углекислый газ в свою очередь восстанавливается раскалённым углём до CO: CO2 + C = 2CO.

Фосфор сгорает до оксида, который жадно забирает воду: 4P + 5O2 = 2P2O5, P2O5 + 3H2O = 2H3PO4. Поэтому P2O5 используют как осушитель, а со щёлочью он даёт среднюю соль: P2O5 + 6NaOH = 2Na3PO4 + 3H2O. Что получится при другом соотношении, разобрано в статье о классах веществ.

У галогенов есть свои исключения. Фтор не вытесняет другие галогены из растворов, потому что реагирует с водой: 2F2 + 2H2O = 4HF + O2. Хлор вытесняет бром: Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2, обратная реакция не идёт. Осадки галогенидов серебра различаются по цвету: хлорид белый, бромид бледно-жёлтый, иодид жёлтый, и в задачах на определение иона это нужно знать наизусть. Карбиды алюминия и кальция гидролизуются с выделением углеводородов: Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4, CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2, так тема неметаллов выходит в органическую химию (углеводороды: строение и свойства).

Девятый класс и экзамен: с чего начать

Неметаллы приходят в девятом классе, и к экзамену они забываются из-за того, что материал в учебнике идёт по элементам: азот, сера, фосфор, углерод, кремний, галогены. У каждого элемента свои оксиды, кислоты, соли, и в сумме выходит больше десятка веществ с похожими формулами, которые легко спутать. На экзамене вопросы строятся иначе: условие называет вещество и условие реакции, а продукт нужно получить по правилу. Схема таких заданий видна в структуре ЕГЭ по химии, а во второй части экзамена (что входит во вторую часть) неметаллы встречаются особенно часто. Место темы среди остальных показывает порядок изучения школьной химии.

Я бы переупаковал материал: вместо «азот, сера, хлор» собрать вещества по ступеням, то есть всё с серой +4 в одну строку, всё с азотом +5 в другую. Тогда видно, какие вещества могут быть и окислителем, и восстановителем и как они ведут себя в одном и том же эксперименте.

Начните с одного элемента, с серы: нарисуйте лестницу из четырёх ступеней, к каждой припишите вещество и для каждой пары соседних ступеней запишите по реакции. Спустя неделю прибавьте азот, а затем хлор. Кремний и углерод после, когда лестница стала привычной. Поначалу идёт медленно, но схема каждый раз та же, а не пять разных.

На первом занятии стоит попросить репетитора нарисовать лестницу выбранного элемента вместе с вами. Если вместо этого он сразу диктует уравнения, лестницу придётся строить самому, а это работа на вечер за тетрадью.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• подготовка к ОГЭ по химии
• химия для 9 класса

Вопросы и ответы

Почему оксид углерода(II) не реагирует со щёлочью? Он несолеобразующий, как NO и N2O: кислотных или основных свойств у него нет, поэтому реакция со щёлочью или кислотой в школьных задачах не записывается.

Как запомнить, при какой температуре какой продукт у хлора со щёлочью? Хлорат образуется при нагревании, гипохлорит на холоде. Запоминается через степени окисления: на холоде хлор поднимается до +1, при нагревании до +5.

Нужно ли учить все оксиды азота? Пять: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, вместе со степенями окисления азота в них (+1, +2, +3, +4, +5) и признаком солеобразования. Несолеобразующими считаются N2O и NO. NO2 с водой и со щёлочью даёт сразу два продукта, и в тетради его стоит выписать отдельно, потому что исключения в этой теме связаны именно с ним.

Чем в задачах отличается концентрированная азотная кислота от разбавленной? Газом и коэффициентом. С медью концентрированная даёт NO2 и коэффициент четыре, разбавленная даёт NO и коэффициент восемь на три атома меди. Различить их по слову в условии нужно до записи: «концентрированная», «разбавленная», «холодная», «при нагревании».