Типові завдання НМТ: хімічні реакції та розчини

У хімії всі реакції поділяють на чотири основні типи за кількістю й складом реагентів і продуктів: сполучення (дві або більше речовин утворюють одну), розкладу (одна речовина розпадається на кілька), заміщення (атом простої речовини заміщує атом у складній) та обміну (дві складні речовини обмінюються своїми складниками). Проте для НМТ важливіша інша класифікація — за зміною ступенів окиснення атомів.

Окисно-відновні реакції (ОВР) — це реакції, у яких змінюються ступені окиснення елементів. Реакції обміну та нейтралізації (наприклад, NaOH + HCl → NaCl + H₂O) не є окисно-відновними, бо ступені окиснення в них лишаються незмінними.

Окисник і відновник: головне правило

Найпростіше запам'ятати так:

• Окисник — приймає електрони, тому його ступінь окиснення зменшується (відновлюється).

• Відновник — віддає електрони, тому його ступінь окиснення збільшується (окиснюється).

Розберімо на конкретному прикладі:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Визначаємо ступені окиснення:

• Fe₂O₃: Fe має +3 (кисень −2, тому 3·(−2) + 2·x = 0 → x = +3), у продукті Fe — проста речовина, ступінь 0. Отже, Fe переходить із +3 до 0 — ступінь зменшується, Fe₂O₃ — окисник.

• CO: C має +2 (O −2), у CO₂ — +4. С переходить із +2 до +4 — ступінь збільшується, CO — відновник.

Як швидко впізнавати окисники й відновники

Є кілька закономірностей, які стануть у пригоді на НМТ:

• Проста речовина металу в реакції майже завжди є відновником (ступінь окиснення збільшується від 0 до позитивного).

• Кисень O₂ і галогени Cl₂, Br₂, I₂ — типові окисники (ступінь зменшується від 0 до негативного).

• H₂SO₄ (концентрована) — сильний окисник завдяки Сульфуру в ступені +6.

• HNO₃ — сильний окисник завдяки Нітрогену в ступені +5.

Приклад: Zn + CuSO₄

Розгляньмо реакцію заміщення:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Цинк (проста речовина) має ступінь 0, у ZnSO₄ — +2. Zn віддає електрони, отже, він — відновник. Купрум у CuSO₄ має +2, у простій речовині Cu — 0. Cu²⁺ приймає електрони, отже, CuSO₄ (точніше, йон Cu²⁺) — окисник. Це узгоджується з рядом активності металів: цинк стоїть ліворуч від міді, тому витісняє її з розчину солі.

Швидкість хімічної реакції — це зміна концентрації реагентів або продуктів за одиницю часу. На НМТ тебе проситимуть не обчислювати її числове значення, а розуміти, які фактори на неї впливають.

Фактори, що прискорюють реакцію

• Підвищення температури — молекули рухаються швидше, більше зіткнень досягають енергії активації.

• Підвищення концентрації реагентів — більше частинок в одиниці об'єму, зіткнення відбуваються частіше.

• Збільшення площі поверхні твердих реагентів (подрібнення) — більше атомів доступно для реакції.

• Каталізатор — знижує енергію активації, прискорюючи і пряму, і зворотну реакції однаковою мірою.

Хімічна рівновага й принцип Ле Шательє

Хімічна рівновага — стан, коли швидкості прямої та зворотної реакцій зрівнюються, і концентрації всіх речовин не змінюються. Якщо зовнішні умови змінити, рівновага порушується й система переходить у новий стан.

Принцип Ле Шательє: якщо на систему, що перебуває в рівновазі, подіяти ззовні (змінити тиск, температуру або концентрацію), рівновага зміщується в той бік, який послаблює цю дію.

Як кожен фактор зміщує рівновагу

Розбір на прикладі: синтез амоніаку

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q

Реакція екзотермічна (Q виділяється). Підрахуймо газові молі: ліворуч — 1 + 3 = 4 моль, праворуч — 2 моль газу.

• Підвищення тиску — рівновага зміщується в бік меншої кількості молів, тобто в бік NH₃. Вихід амоніаку зростає.

• Зниження температури — рівновага зміщується в бік екзотермічної реакції (тієї, що виділяє тепло), тобто в бік NH₃. Вихід зростає.

• Підвищення температури — рівновага зміщується в бік ендотермічної реакції (розклад NH₃). Вихід амоніаку падає.

• Каталізатор — прискорює і синтез, і розклад, тому рівновагу не зміщує (але рівновага досягається швидше).

Коли тиск не діє

Тиск впливає лише на газоподібні речовини. Якщо в реакції немає газів або кількість газових молів ліворуч і праворуч однакова, зміна тиску не зміщує рівновагу. Наприклад:

H₂ + I₂ ⇄ 2HI

Ліворуч — 1 + 1 = 2 моль газу, праворуч — 2 моль газу. Зміна тиску не дає жодного ефекту.

Суміш — це система, що містить дві або більше речовин, які не вступили в хімічну реакцію. На відміну від чистої речовини, суміш не має сталої температури кипіння чи плавлення. На НМТ часто питають, яким способом можна розділити ту чи іншу суміш — і ключем завжди є різниця фізичних властивостей компонентів.

Способи розділення сумішей

Важливо! Спосіб розділення обирають за фізичними властивостями (розчинність, температура кипіння, густина, магнетизм), а не хімічними. Хімічні методи (додавання реактиву) змінюють склад речовин — це вже не розділення суміші, а хімічне перетворення.

Розчини й масова частка

Розчин — це однорідна суміш, де одна речовина (розчинник, зазвичай вода) розподіляє іншу (розчинену речовину) на рівні молекул або йонів. Кількісний склад розчину виражають масовою часткою:

w = m(речовини) / m(розчину) · 100%

де m(розчину) = m(речовини) + m(води). Наприклад, якщо в 200 г води розчинили 50 г цукру, масова частка цукру: 50 / (50 + 200) · 100% = 20%.

Електролітична дисоціація — це розпад речовини на йони під дією розчинника (найчастіше води). Сильні електроліти (луги, сильні кислоти, розчинні солі) дисоціюють практично повністю, тому в йонних рівняннях їх записують у вигляді йонів. Слабкі електроліти, осади, гази й вода лишаються в молекулярній формі.

Як складати йонні рівняння

Алгоритм простий:

1. Запиши повне молекулярне рівняння.

2. Розпиши на йони розчинні сильні електроліти (луги NaOH, KOH; сильні кислоти HCl, H₂SO₄, HNO₃; розчинні солі). Осади (↓), гази (↑), воду H₂O та слабкі електроліти (CH₃COOH, NH₃·H₂O) залиш у молекулярному вигляді.

3. Скороти однакові йони ліворуч і праворуч.

4. Запиши скорочене йонне рівняння.

Приклад: BaCl₂ + Na₂SO₄

Молекулярне рівняння: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.

Повне йонне: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.

Скорочуємо Na⁺ та Cl⁻ з обох боків. Залишається:

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓

Сума коефіцієнтів у скороченому йонному рівнянні: 1 (Ba²⁺) + 1 (SO₄²⁻) + 1 (BaSO₄) = 3. Таке завдання допомагає перевірити, чи правильно складено йонне рівняння.

Середовище розчину й pH

Водневий показник pH показує кислотність середовища:

• pH < 7 — кисле середовище (HCl, NH₄Cl)

• pH > 7 — лужне середовище (NaOH, Na₂CO₃)

• pH = 7 — нейтральне середовище (NaCl, чиста вода)

Середовище розчину солі залежить від того, якою кислотою й основою вона утворена:

Якісні реакції на йони

Якісна реакція дає характерну ознаку (осад, газ, зміну кольору), за якою можна однозначно визначити йон. Програма НМТ (тема 1.6) обмежує перелік реактивів і йонів, які можуть трапитися в завданнях:

Зверни увагу: Реактиви поза програмою, як-от K₃[Fe(CN)₆] або KSCN, у завданнях НМТ не використовують. Користуйся лише тим переліком, що дано в темі 1.6 програми.

У цьому розділі розв'яжемо п'ять типових завдань НМТ, які охоплюють усі ключові теми: окисники й відновники, рівновагу, способи розділення сумішей, йонні рівняння, гідроліз і середовище розчину.

Приклад 1. Гідроліз солей — логічні пари

У завданні формату «логічні пари» потрібно встановити відповідність між сіллю та середовищем її водного розчину. Познач пари:

1. CH₃COOK — А. pH > 7

1. Fe(NO₃)₃ — Б. pH < 7

1. BaCl₂ — В. pH = 7

Г. залежить від тиску

Д. не розчиняється

Розв'язок:

CH₃COOK — сіль слабкої кислоти (CH₃COOH) і сильної основи (KOH). Гідроліз за аніоном створює лужне середовище: pH > 7.

Fe(NO₃)₃ — сіль сильної кислоти (HNO₃) і слабкої основи (Fe(OH)₃). Гідроліз за катіоном створює кисле середовище: pH < 7.

BaCl₂ — сіль сильної кислоти (HCl) і сильної основи (Ba(OH)₂). Гідролізу практично немає: pH ≈ 7.

Ключ: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Варіант Г («залежить від тиску») — пастка для тих, хто плутає гідроліз із рівновагою в газах. BaCl₂ добре розчиняється у воді, тому варіант Д теж хибний.

Приклад 2. Зміщення рівноваги — вибір однієї відповіді

Що збільшить вихід амоніаку в реакції N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q?

• А. Підвищення тиску

• Б. Каталізатор

• В. Підвищення температури

• Г. Видалення азоту з системи

Розв'язок:

Ліворуч — 4 моль газів, праворуч — 2 моль. За принципом Ле Шательє, підвищення тиску зміщує рівновагу в бік меншої кількості молів — у бік NH₃. Отже, правильна відповідь — А.

Чому інші неправильні?

• Б (каталізатор) — прискорює і пряму, і зворотну реакції, рівновагу не зміщує.

• В (підвищення температури) — реакція екзотермічна, тому рівновага зміститься в бік реагентів (ендотермічний напрямок — розклад NH₃).

• Г (видалення азоту) — зменшує концентрацію реагенту, рівновага зміщується в бік реагентів, вихід падає.

Приклад 3. Окисник у реакції — вибір однієї відповіді

Окисником у реакції Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ є:

• А. Fe₂O₃

• Б. CO

• В. Fe

• Г. CO₂

Розв'язок:

Визначаємо ступені окиснення. У Fe₂O₃: Fe має +3 (кисень −2, отже 2·x + 3·(−2) = 0 → x = +3). У продукті Fe — проста речовина, ступінь 0. Fe переходить із +3 до 0 — ступінь зменшується, отже Fe₂O₃ приймає електрони й є окисником. Правильна відповідь — А.

CO містить C(+2), який у CO₂ переходить у C(+4) — ступінь збільшується, отже CO — відновник. Fe і CO₂ — продукти, вони не можуть бути окисниками в цій реакції.

Приклад 4. Сума коефіцієнтів у йонному рівнянні — коротка відповідь

У відповідь запиши число — суму коефіцієнтів у скороченому йонному рівнянні реакції між BaCl₂ та Na₂SO₄.

Розв'язок:

Молекулярне рівняння: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.

Повне йонне: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.

Скорочуємо йони Na⁺ і Cl⁻. Скорочене йонне рівняння:

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓

Коефіцієнти: 1 + 1 + 1 = 3.

Відповідь: 3.

Типова помилка — записати суму коефіцієнтів повного йонного рівняння (1 + 2 + 2 + 1 + 1 + 2 + 2 = 11). Уважно читай завдання: питають саме скорочене йонне рівняння.

Приклад 5. Зміщення рівноваги — логічні пари

Для реакції 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (ΔH < 0, тобто екзотермічна) встанови відповідність між зміною умови та напрямком зміщення рівноваги:

1. Підвищення тиску — А. У бік продукту

1. Підвищення температури — Б. У бік реагентів

1. Додавання каталізатора — В. Не зміщується

Г. Спершу в бік продукту, потім назад

Д. Залежить від об'єму посудини

Розв'язок:

Підрахуймо газові молі: ліворуч 2 + 1 = 3 моль, праворуч 2 моль. Підвищення тиску зміщує рівновагу в бік меншої кількості молів — у бік продукту (1 → А).

Реакція екзотермічна (ΔH < 0). Підвищення температури зміщує рівновагу в бік ендотермічної реакції, тобто розкладу SO₃ — у бік реагентів (2 → Б).

Каталізатор прискорює пряму й зворотну реакції однаково, тому рівновагу не зміщує (3 → В).

Ключ: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Щоб не втратити бали на НМТ, запам'ятай найпоширеніші помилки, яких припускаються учні в завданнях на хімічні реакції та розчини.

• Помилка: каталізатор зміщує рівновагу. Насправді каталізатор однаково прискорює пряму й зворотну реакції, тому рівновага не зміщується — вона просто досягається швидше. Вихід продукту каталізатор не збільшує.

• Помилка: розкладати на йони осади, гази й слабкі електроліти в йонному рівнянні. У йонних рівняннях на йони записують лише розчинні сильні електроліти. Осади (BaSO₄↓, AgCl↓), гази (CO₂↑, NH₃↑), воду H₂O, слабкі кислоти (CH₃COOH) і слабкі основи (NH₃·H₂O) залишають у молекулярному вигляді.

• Помилка: плутати окисник і відновник. Запам'ятай: окисник приймає електрони (ступінь окиснення зменшується), відновник віддає електрони (ступінь окиснення збільшується). Не плутай: назва «окисник» — бо він окиснює іншу речовину (відбирає в неї електрони), а сам при цьому відновлюється.

• Помилка: вважати розчин усіх солей нейтральним. Сіль, утворена слабкою кислотою й сильною основою (CH₃COOK, Na₂CO₃), має лужне середовище. Сіль, утворена сильною кислотою й слабкою основою (NH₄Cl, Fe(NO₃)₃), має кисле середовище. Нейтральне середовище — лише в солей сильної кислоти й сильної основи (NaCl, BaCl₂).

• Помилка: плутати способи розділення сумішей. Фільтрування — для нерозчинної твердої речовини в рідині. Випарювання — для розчиненої твердої речовини. Дистиляція — для суміші рідин з різною температурою кипіння. Ділильна лійка — для несумісних рідин. Магніт — для феромагнітних домішок. Завжди визначай, яка фізична властивість відрізняє компоненти.

• Помилка: забувати, що тиск не зміщує рівновагу, коли кількість газових молів не змінюється. Якщо в реакції однакова кількість молів газів ліворуч і праворуч (H₂ + I₂ ⇄ 2HI), або в реакції взагалі немає газів, зміна тиску не впливає на рівновагу.

Завдання теми «Хімічні реакції та розчини» трапляються в різних частинах НМТ — і як прості завдання з вибором однієї відповіді, і як логічні пари. Розберімо структуру на прикладі демоваріанта 2026 року.

Формат і розподіл завдань

Важливо знати:

• Завдання з вибором однієї відповіді оцінюють у 0 або 1 бал.

• Логічні пари (1–3 → А–Д) оцінюють від 0 до 3 балів (по 1 балу за кожну правильну пару).

• Забарвлення індикаторів у довідкових матеріалах НМТ не наводять. Це треба вивчити окремо: метилоранж у кислому середовищі рожевий (червоно-рожевий), у нейтральному — оранжевий, у лужному — жовтий; лакмус — червоний у кислому, синій у лужному.

Як розподілити час

На завдання з вибором однієї відповіді (1 бал) витрачай не більше ніж 1,5–2 хвилини. На логічні пари — до 3 хвилин. Якщо завдання здається складним, пропусти його й повернися пізніше. Стратегія проста: спершу зроби всі завдання, які знаєш точно, потім повернися до сумнівних.

• Окисник приймає електрони (ступінь окиснення зменшується), відновник віддає електрони (ступінь окиснення збільшується). Прості метали — відновники, кисень, галогени, H₂SO₄(конц.) і HNO₃ — окисники.

• Принцип Ле Шательє: тиск, температура й концентрація зміщують рівновагу. Підвищення тиску — в бік меншої кількості газових молів. Підвищення температури — в бік ендотермічної реакції. Каталізатор рівновагу не зміщує.

• Спосіб розділення сумішей обирають за різницею фізичних властивостей (розчинність, температура кипіння, густина, магнетизм), а не хімічних.

• У йонному рівнянні осади, гази, воду й слабкі електроліти не розписують на йони — залишають молекулярно.

• Середовище розчину солі визначають за силою кислоти й основи: сіль слабкої кислоти й сильної основи — лужне (pH > 7); сіль сильної кислоти й слабкої основи — кисле (pH < 7); сіль сильної кислоти й сильної основи — нейтральне (pH = 7).