Якісні реакції на аніони

Якісні реакції дають змогу виявити певний йон у розчині за характерною зовнішньою ознакою — утворенням осаду певного кольору, виділенням газу або зміною забарвлення індикатора. У цьому розділі ти навчишся розпізнавати гідроксид-йони (OH⁻) та хлорид-йони (Cl⁻).

Виявлення гідроксид-йонів (OH⁻)

Гідроксид-йони створюють у водному розчині лужне середовище. Найпростіший спосіб виявити OH⁻ — скористатися індикаторами. Фенолфталеїн у лужному середовищі набуває малинового забарвлення (за достатньо високого pH, приблизно понад 8,2). Універсальний індикатор змінює колір поступово залежно від pH: його шкала дає змогу не лише виявити лужність, а й оцінити її силу. Жовтий метилоранж сам по собі не є доказом лужності — він жовтіє вже в нейтральному середовищі, тому для підтвердження лужності обов'язково використовують фенолфталеїн або універсальний індикатор.

Виявлення хлорид-йонів (Cl⁻)

Хлорид-йони виявляють за допомогою аргентум нітрату (AgNO₃). Під час додавання AgNO₃ до розчину, що містить хлорид-йони, утворюється білий сирнистий осад аргентум хлориду:

NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃ — молекулярне рівняння

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ — скорочене йонне рівняння

Осад AgCl не розчиняється в нітратній кислоті (HNO₃). Це важлива відмінність від інших осадів Аргентуму (Ag₃PO₄, Ag₂CO₃), які в HNO₃ розчиняються. На світлі білий осад AgCl поступово темніє, розкладаючись на срібло та хлор.

Оскільки AgNO₃ дає осади й з іншими аніонами (ортофосфат-йонами — жовтий Ag₃PO₄, карбонат-йонами — білий Ag₂CO₃), отриманий осад обов'язково перевіряють нітратною кислотою. Якщо осад не розчиняється — це AgCl, тобто в розчині були хлорид-йони. Якщо осад розчиняється — це інша сіль Аргентуму.

Сульфат-йони (SO₄²⁻) та карбонат-йони (CO₃²⁻) — поширені аніони; їхнє виявлення передбачено програмою НМТ (тема 1.6). Їхні якісні реакції ґрунтуються на утворенні нерозчинних сполук із катіонами Барію або на виділенні газу під дією кислоти.

Виявлення сульфат-йонів (SO₄²⁻)

Сульфат-йони виявляють за допомогою йонів Барію. Для цього використовують розчинні солі Барію — барій хлорид (BaCl₂) або барій нітрат (Ba(NO₃)₂). Під час реакції утворюється білий осад барій сульфату:

Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NaCl — молекулярне рівняння

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ — скорочене йонне рівняння

Осад BaSO₄ — білий, дрібнокристалічний, нерозчинний у кислотах (зокрема в хлоридній і нітратній). Це ключова відмінність від BaCO₃, який у кислотах розчиняється з виділенням CO₂.

Важливо: аргентум нітрат (AgNO₃) для виявлення сульфат-йонів не підходить! Аргентум сульфат (Ag₂SO₄) — малорозчинна сполука (позначка «М» у таблиці розчинності), тому чіткого осаду не утворюється, і реакція не дає однозначної ознаки.

Виявлення карбонат-йонів (CO₃²⁻)

Карбонат-йони виявляють за допомогою сильної кислоти (наприклад, хлоридної HCl або нітратної HNO₃). Під час реакції бурхливо виділяється вуглекислий газ — спостерігають «закипання» розчину:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑ — молекулярне рівняння

CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑ — скорочене йонне рівняння

Виділений газ не має запаху. Його додатково ідентифікують, пропускаючи крізь вапняну воду (розчин Ca(OH)₂) — вона каламутніє через утворення нерозчинного кальцій карбонату:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Зверни увагу: карбонат-йони теж дають білий осад із Ba²⁺ (BaCO₃), але цей осад розчиняється в кислотах із виділенням CO₂. Цим карбонат відрізняють від сульфату: BaSO₄ у кислотах не розчиняється. Якщо довго пропускати CO₂ крізь вапняну воду, каламуть поступово зникає — утворюється розчинний кальцій гідрогенкарбонат Ca(HCO₃)₂.

Силікат-йони (SiO₃²⁻) та ортофосфат-йони (PO₄³⁻) — аніони, які теж мають характерні якісні реакції. Їх часто доводиться розпізнавати поряд з іншими аніонами.

Виявлення силікат-йонів (SiO₃²⁻)

Силікат-йони виявляють за допомогою сильної кислоти (наприклад, хлоридної HCl або нітратної HNO₃). Під час реакції утворюється драглистий (желеподібний) осад силікатної кислоти:

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl — молекулярне рівняння

SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓ — скорочене йонне рівняння

На відміну від карбонат-йонів, під час дії кислоти на силікат-йони газ не виділяється — утворюється саме осад. Силікатну кислоту можна витіснити й слабшою кислотою, наприклад карбонатною. Якщо пропускати CO₂ крізь розчин натрій силікату, випадає драглистий осад H₂SiO₃:

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓

Виявлення ортофосфат-йонів (PO₄³⁻)

Ортофосфат-йони виявляють за допомогою аргентум нітрату (AgNO₃). Під час реакції утворюється жовтий осад аргентум ортофосфату:

Na₃PO₄ + 3AgNO₃ → Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃ — молекулярне рівняння

3Ag⁺ + PO₄³⁻ → Ag₃PO₄↓ — скорочене йонне рівняння

Жовтий осад Ag₃PO₄ розчиняється в нітратній кислоті (HNO₃). Це відрізняє його від білого осаду AgCl, який у HNO₃ не розчиняється. Тому за кольором осаду та його поведінкою в кислоті можна надійно розрізнити хлорид- і ортофосфат-йони.

Як одна кислота розрізняє різні солі

Сильна кислота (HCl або HNO₃) по-різному діє на розчини різних солей:

• з карбонатом (CO₃²⁻) — бурхливе виділення газу CO₂ без запаху

• із силікатом (SiO₃²⁻) — драглистий осад H₂SiO₃, газу немає

• із сульфатом (SO₄²⁻), хлоридом (Cl⁻) чи ортофосфатом (PO₄³⁻) — видимих змін немає

Коли перед тобою кілька розчинів без підписів, їх можна розпізнати за допомогою послідовності реактивів. Головне правило: щоразу бери нову пробу розчину, а не додавай наступний реактив у ту саму пробірку. Інакше йони попереднього реактиву спотворять результати наступних тестів.

Розпізнавання Na₂SO₄, Na₂CO₃ і NaCl

Маємо три розчини: натрій сульфат, натрій карбонат і натрій хлорид. Ось покроковий план:

1. До трьох окремих проб долити нітратну кислоту (HNO₃). Газ (CO₂) бурхливо виділяється лише в пробірці з Na₂CO₃. Карбонат розпізнано.

2. До нових проб двох інших розчинів (Na₂SO₄ і NaCl) долити барій нітрат Ba(NO₃)₂. Білий осад BaSO₄ утворюється в пробірці з Na₂SO₄. Сульфат розпізнано.

3. У пробі останнього розчину (NaCl) додати AgNO₃ — утворюється білий сирнистий осад AgCl. Хлорид розпізнано.

Чому важливі порядок і нові проби

Якби ти почав із AgNO₃, він дав би осади і з хлоридом (білий AgCl), і з карбонатом (білий Ag₂CO₃) — ти не зміг би їх розрізнити без додаткового тесту кислотою. Якби ти почав із BaCl₂, він дав би білі осади і з сульфатом (BaSO₄), і з карбонатом (BaCO₃) — знову неоднозначно.

Чому щоразу беруть нову пробу? Уяви, що ти додав BaCl₂ до суміші, а потім у цю ж пробу капаєш AgNO₃. У розчині вже є йони Cl⁻ з BaCl₂, тому AgNO₃ дасть білий осад AgCl навіть там, де його не було. Ти отримаєш хибний позитивний результат на хлорид-йони.

Розпізнавання NaCl, Na₃PO₄ і NaNO₃ одним реактивом

Іноді для розпізнавання вистачає одного реактиву. Наприклад, до розчинів натрій хлориду, натрій ортофосфату й натрій нітрату додають AgNO₃:

• NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ — білий сирнистий осад

• Na₃PO₄ + AgNO₃ → Ag₃PO₄↓ — жовтий осад

• NaNO₃ + AgNO₃ → реакції немає (нітрат-йон не утворює осадів із Ag⁺)

Три різні результати — три різні солі. Це можливо, тому що кожен аніон дає з AgNO₃ свій характерний осад або не дає його взагалі.

Приклад 1. Логічні пари: аніон — реактив і ознака

У завданні на встановлення відповідності (логічні пари 1–3 → А–Д) потрібно зіставити аніон із реактивом і характерною ознакою реакції.

Аніони: 1 — SO₄²⁻; 2 — PO₄³⁻; 3 — SiO₃²⁻.

Варіанти відповідей: А — Ba²⁺, білий осад, нерозчинний у кислотах; Б — Ag⁺, жовтий осад, розчинний у нітратній кислоті; В — H⁺, драглистий осад; Г — H⁺, газ, що каламутить вапняну воду; Д — Ag⁺, білий сирнистий осад.

Розв'язання: Для SO₄²⁻ характерна реакція з Ba²⁺ — білий осад BaSO₄, нерозчинний у кислотах (відповідь А). Для PO₄³⁻ характерна реакція з Ag⁺ — жовтий осад Ag₃PO₄, розчинний у HNO₃ (відповідь Б). Для SiO₃²⁻ характерна реакція з H⁺ — драглистий осад H₂SiO₃ (відповідь В).

Ключ: 1А, 2Б, 3В.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: розрізнення K₂CO₃ і K₂SO₄

Завдання: «Яким реактивом можна розрізнити розчини K₂CO₃ і K₂SO₄?»

Варіанти: А — хлоридна кислота (HCl); Б — барій хлорид (BaCl₂); В — натрій хлорид (NaCl); Г — калій нітрат (KNO₃).

Розв'язання: Хлоридна кислота реагує з K₂CO₃ з виділенням газу CO₂ («закипання»), а з K₂SO₄ видимих змін немає. Отже, HCl дає різні результати. BaCl₂ дає білі осади з обома солями (BaCO₃ і BaSO₄) — не розрізняє. NaCl і KNO₃ не реагують з жодною з них.

Ключ: А (хлоридна кислота).

Чому інші варіанти неправильні: BaCl₂ (Б) утворює осад з обома солями — ознака неоднозначна. NaCl (В) і KNO₃ (Г) не дають видимих змін із жодним розчином.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: скорочене йонне рівняння для силікат-йонів

Завдання: «Яке скорочене йонне рівняння описує якісну реакцію на силікат-йони?»

Варіанти: А — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑; Б — Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓; В — SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓; Г — SiO₃²⁻ + 2H⁺ → SiO₂↑ + H₂O.

Розв'язання: Силікат-йони реагують із кислотою, утворюючи драглистий осад H₂SiO₃. Цьому відповідає рівняння В. Варіант А — реакція на карбонат-йони. Варіант Б — реакція на хлорид-йони. Варіант Г хибний, бо силікатна кислота не розкладається на SiO₂ і H₂O в цих умовах, і газу не виділяється.

Ключ: В (SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓).

Приклад 4. Вибір однієї відповіді: два реактиви для трьох розчинів

Завдання: «Яких двох реактивів достатньо, щоб розпізнати розчини Na₂CO₃, Na₂SO₄ і NaCl?»

Варіанти: А — фенолфталеїн і HCl; Б — HCl і BaCl₂; В — NaOH і KNO₃; Г — NaOH і KCl.

Розв'язання: Спочатку додають HCl до трьох проб — газ виділяється лише з Na₂CO₃. Потім до нових проб двох інших розчинів додають BaCl₂ — білий осад дає Na₂SO₄, без змін — NaCl. Отже, HCl і BaCl₂ (Б) достатньо. Фенолфталеїн і HCl (А) не розрізняють сульфат і хлорид. NaOH і KNO₃ (В) та NaOH і KCl (Г) не дають видимих змін із жодним розчином.

Ключ: Б (HCl і BaCl₂).

• Виявляють сульфат-йони аргентум нітратом замість сполук Барію. Ag₂SO₄ — малорозчинна сполука (позначка «М» у таблиці розчинності), тому чіткого осаду не утворюється. Для SO₄²⁻ використовують BaCl₂ або Ba(NO₃)₂.

• Не перевіряють білий осад з Ba²⁺ кислотою й плутають BaCO₃ з BaSO₄. Обидва осади білі, але BaCO₃ розчиняється в кислотах із виділенням CO₂, а BaSO₄ — нерозчинний. Завжди перевіряй осад кислотою!

• Плутають ознаки реакцій з кислотою: карбонат — газ, силікат — драглистий осад без газу. Запам'ятай: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑ (газ), а SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓ (осад).

• Вважають жовтий осад Ag₃PO₄ нерозчинним у нітратній кислоті, як AgCl. Насправді Ag₃PO₄ розчиняється в HNO₃, а AgCl — ні. Це ключова відмінність для розрізнення хлориду й ортофосфату.

• Додають реактиви в одну пробу й вносять йони попереднього реактиву (Cl⁻ з BaCl₂ перед тестом на хлорид). Після BaCl₂ у розчині вже є хлорид-йони, тому AgNO₃ дасть хибний позитивний результат. Завжди бери нову пробу!

• Вважають, що вапняна вода каламутніє від будь-якого газу, а не від CO₂. Насправді вапняну воду каламутить вуглекислий газ (утворюється нерозчинний CaCO₃), а також SO₂ (утворюється CaSO₃), але SO₂ має різкий запах, а CO₂ — ні. Гази H₂, O₂, N₂ такої реакції не дають.

Програма НМТ з хімії (тема 1.6) передбачає, що ти вмієш обирати спосіб виявлення в розчині гідроксид-, хлорид-, сульфат-, карбонат-, силікат- та ортофосфат-йонів, а також складати рівняння якісних реакцій у молекулярній та йонній формах.

У демоваріанті НМТ-2026 завдання № 12 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал; теми 2.2.4 і 1.6) перевіряє вміння дібрати реагент, що по-різному діє на розчини карбонату й силікату. Для його виконання потрібна таблиця розчинності.

Логічні пари 1–3 → А–Д (завдання № 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильну пару) можуть стосуватися й якісних реакцій, наприклад у форматі «аніон — реактив — ознака». Тоді тобі пропонують три аніони (наприклад, SO₄²⁻, PO₄³⁻, SiO₃²⁻) і п'ять описів реактивів з ознаками, з яких потрібно вибрати три правильні пари. У демоваріанті 2026 року ці завдання стосувалися інших тем: якісних реакцій органічних сполук і гідролізу солей.

Довідка: таблиця розчинності підкаже, які солі Аргентуму й Барію нерозчинні (AgCl, Ag₃PO₄, BaSO₄, BaCO₃ — позначка «Н»; Ag₂SO₄ — «М»). Однак кольорів осадів і їхньої поведінки в кислотах у таблиці розчинності немає — ці знання потрібно засвоїти окремо.

Стратегія: для завдань на розпізнавання спочатку визнач, які аніони можуть бути в розчині, потім обери реактив, що дає різні ознаки з кожним із них. Якщо сумніваєшся, перевір за таблицею розчинності, чи утворює обраний реактив осад із цим аніоном.

• OH⁻ — фенолфталеїн малиновий

• Cl⁻ — AgNO₃: білий сирнистий осад, нерозчинний у HNO₃

• SO₄²⁻ — Ba²⁺: білий осад, нерозчинний у кислотах

• CO₃²⁻ — кислота: газ, що каламутить вапняну воду

• SiO₃²⁻ — кислота: драглистий осад H₂SiO₃

• PO₄³⁻ — AgNO₃: жовтий осад, розчинний у HNO₃

• Кілька розчинів: кислота → сіль Барію → AgNO₃, щоразу нова проба