Генетичні зв’язки і ланцюжки перетворень неорганічних сполук

У хімії речовини різних класів пов'язані між собою. Цей зв'язок називають генетичним зв'язком — він показує, як з однієї речовини можна добути іншу за допомогою хімічних реакцій. Послідовність речовин одного хімічного елемента, які належать до різних класів і послідовно перетворюються одна на одну, утворює генетичний ряд. Розуміння цих рядів — ключ до відновлення ланцюжків перетворень на НМТ.

Генетичний ряд металу, що утворює луг

Якщо метал утворює розчинну основу (луг), його генетичний ряд має вигляд:

метал → основний оксид → луг → сіль

Найпростіший приклад — Кальцій:

Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃

Рівняння реакцій:

• 2Ca + O₂ → 2CaO — горіння кальцію

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — взаємодія основного оксиду з водою

• Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O — осадження карбонату вуглекислим газом

Зверни увагу: CaO реагує з водою, бо це активний оксид лужноземельного металу. Не всі основні оксиди реагують з водою — наприклад, CuO з водою не взаємодіє.

Генетичний ряд металу з нерозчинною основою

Для металів, що утворюють нерозчинні основи, ланцюжок ускладнюється, бо гідроксид не можна добути безпосередньо з оксиду. Розгляньмо Купрум:

Cu → CuO → CuCl₂ → Cu(OH)₂ → CuO

Рівняння:

• 2Cu + O₂ → 2CuO — окиснення міді

• CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O — взаємодія основного оксиду з кислотою

• CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl — осадження нерозчинної основи із солі

• Cu(OH)₂ → CuO + H₂O — термічний розклад нерозчинної основи (нагрівання)

Запам'ятай: Cu(OH)₂ у цьому ланцюжку добувають не з CuO, а з розчинної солі Купруму дією лугу. Це принциповий момент для ланцюжків перетворень.

Генетичні ряди неметалів

Для неметалів схема має інший вигляд:

неметал → кислотний оксид → кислота → сіль

Розгляньмо Сульфур:

S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → Na₂SO₄

• S + O₂ → SO₂ — горіння сірки

• 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ — окиснення сульфур(IV) оксиду до сульфур(VI) оксиду (каталізатор V₂O₅, нагрівання)

• SO₃ + H₂O → H₂SO₄ — добування сульфатної кислоти

• H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O — нейтралізація

Інші приклади:

• P → P₂O₅ → H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂

• Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂ — силікатну кислоту добувають через силікат, бо SiO₂ з водою не реагує

Генетичні ряди амфотерних елементів

Амфотерні елементи (Алюміній, Цинк) утворюють оксиди й гідроксиди, що реагують і з кислотами, і з лугами. Їхні ряди мають особливості залежно від умов:

Al → Al₂O₃ → AlCl₃ → Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄]

• 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

• Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

• AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl (без надлишку лугу)

• Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (надлишок лугу, розчин)

Zn → ZnO → ZnSO₄ → Zn(OH)₂ → Na₂ZnO₂ (сплавляння з NaOH)

• 2Zn + O₂ → 2ZnO

• ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

• ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄

• Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + 2H₂O (сплавляння)

Зверни увагу: для амфотерних сполук важливо, чи реакція відбувається в розчині (утворюється тетрагідроксоалюмінат) чи під час сплавляння (утворюється метаалюмінат або цинкат). Надлишок лугу в розчині розчиняє осад амфотерного гідроксиду.

Щоб упевнено відновлювати ланцюжки перетворень, треба знати, які класи речовин реагують між собою. Зведемо основні пари в таблицю.

Перетворення у зворотний бік

Ланцюжки не завжди йдуть лише в один бік. Ось типові зворотні перетворення:

• сіль → основа — дією лугу на розчинну сіль (CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl)

• сіль → кислота — дією сильнішої кислоти (Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl)

• сіль → метал — дією активнішого металу (CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu)

• основа → оксид — нагріванням нерозчинної основи (Cu(OH)₂ → CuO + H₂O)

• оксид → метал — відновленням воднем або вуглецем (CuO + H₂ → Cu + H₂O)

Сіль — вузол схеми

Сіль можна добути з речовин будь-якого класу: з металу (Zn + H₂SO₄), з основного оксиду (CaO + CO₂), з основи (NaOH + HCl), з кислоти (Mg + 2HCl), з іншої солі (NaCl + AgNO₃). Тому ланцюжки перетворень часто проходять через сіль або нею закінчуються. Якщо в ланцюжку є сіль — це зручний «вузол», через який можна перейти до будь-якого іншого класу.

Склад визначає властивості

За складом речовини можна передбачити, до якого класу вона належить і з чим реагує:

• Метал у ступені окиснення +1 або +2 здебільшого утворює основні оксиди й гідроксиди (Na₂O, NaOH; CaO, Ca(OH)₂); винятки — амфотерні ZnO, Zn(OH)₂ (а також BeO, PbO)

• Zn і Al — амфотерні, їхні оксиди й гідроксиди реагують і з кислотами, і з лугами

• Неметали утворюють кислотні оксиди (CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅), метали — у високих ступенях окиснення +5…+7 (Mn₂O₇)

Ця закономірність допомагає швидко визначити, який реагент потрібен на кожній стадії ланцюжка.

Коли перед тобою ланцюжок перетворень, дій за цим алгоритмом — він підходить для більшості завдань на ланцюжки перетворень.

Алгоритм відновлення ланцюжка

1. Під кожною формулою підпиши клас речовини (метал, основний оксид, кислотний оксид, основа, кислота, сіль) і ступінь окиснення ключового елемента.

2. Якщо ступінь окиснення змінюється — на цій стадії потрібен окисник (O₂, Cl₂) або відновник (H₂, C, активніший метал).

3. Якщо ступінь окиснення не змінюється — це реакція обміну або сполучення з речовиною потрібного класу чи розклад під час нагрівання (Cu(OH)₂ → CuO + H₂O).

4. Перевір розчинність речовин за таблицею розчинності та ряд активності металів.

5. Пам'ятай: одна стрілка в ланцюжку — одне хімічне рівняння. Не можна перестрибувати через стадію.

Як знайти невідому речовину X

У завданнях на ланцюжки перетворень часто пропускають одну речовину й питають, що це за X. Ось як міркувати:

Приклад 1: CuSO₄ → X → CuO

• CuSO₄ — сіль Купруму(II). Щоб перейти до CuO (оксид), потрібна проміжна речовина.

• Із солі дією лугу можна добути Cu(OH)₂ — нерозчинну основу.

• Cu(OH)₂ під час нагрівання розкладається на CuO та H₂O.

• Отже, X = Cu(OH)₂.

Приклад 2: P → X → H₃PO₄

• Фосфор P — проста речовина (неметал). H₃PO₄ — ортофосфатна кислота.

• Між ними має бути кислотний оксид — P₂O₅.

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

• Отже, X = P₂O₅.

Приклад 3: Zn → X → Zn(OH)₂

• Zn — метал. Zn(OH)₂ — амфотерний гідроксид.

• Чи можна з Zn одразу добути Zn(OH)₂? Ні — Zn з водою не реагує.

• Потрібна проміжна речовина. ZnO з водою теж не реагує.

• Тому X — розчинна сіль Цинку: ZnCl₂, ZnSO₄ або Zn(NO₃)₂. Її добувають дією кислоти на Zn, а з неї — осадженням Zn(OH)₂ лугом.

Реагент для конкретної стадії

У логічних парах (1–3 → А–Д) можна, наприклад, добирати реагент для кожного перетворення. Ось типові приклади:

Чого не можна зробити за одну стадію

Запам'ятай перетворення, які неможливо здійснити одним кроком:

• S → SO₃ — потрібна проміжна стадія SO₂

• CuO → Cu(OH)₂ — CuO не реагує з водою

• SiO₂ → H₂SiO₃ — SiO₂ не реагує з водою

• CaCO₃ → Ca(OH)₂ — карбонат не переходить в основу прямо

Також пам'ятай: BaSO₄ та AgCl — нерозчинні осади. Вони часто є кінцевими продуктами в наведених ланцюжках. Подальше перетворення таких осадів потребує конкретного реагенту й умов, а не автоматичної перестановки йонів.

Приклад 1. Логічні пари: перетворення — реагент

Установи відповідність між перетворенням (1–3) і реагентом (А–Д).

1 CuO → CuSO₄

2 CuSO₄ → Cu(OH)₂

3 Cu(OH)₂ → CuO

А H₂SO₄, Б KOH, В нагрівання, Г H₂O, Д Na₂SO₄

Розв'язання:

• Стадія 1: CuO (основний оксид) → CuSO₄ (сіль). Основний оксид реагує з кислотою. Зі списку кислот — H₂SO₄. CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Отже, 1 → А.

• Стадія 2: CuSO₄ (сіль) → Cu(OH)₂ (нерозчинна основа). Сіль реагує з лугом, якщо утворюється осад. CuSO₄ + 2KOH → Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄. Отже, 2 → Б.

• Стадія 3: Cu(OH)₂ (нерозчинна основа) → CuO (оксид). Нерозчинна основа розкладається під час нагрівання. Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Отже, 3 → В.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В.

Чому Г і Д зайві? Г (H₂O) — пастка: CuO + H₂O ≠ Cu(OH)₂, бо CuO з водою не реагує. Д (Na₂SO₄) — сіль, з якою CuO не взаємодіє.

Приклад 2. Речовина X у ланцюжку

Яка речовина X у схемі перетворень?

Si → SiO₂ → X → H₂SiO₃

А H₂O, Б SiH₄, В Na₂SiO₃, Г CaCO₃

Розв'язання:

• Si — неметал, SiO₂ — кислотний оксид, H₂SiO₃ — силікатна кислота.

• SiO₂ не реагує з водою, тому X не може бути H₂O (варіант А — пастка).

• SiH₄ — силан, він не утворюється з SiO₂ за одну стадію (варіант Б — пастка).

• CaCO₃ — карбонат, не пов'язаний із силіцієм (варіант Г — пастка).

• SiO₂ реагує з лугом: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O. А Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Отже, X = Na₂SiO₃ (варіант В).

Відповідь: В (Na₂SiO₃).

Приклад 3. Реагенти для амфотерного ланцюжка

Які реагенти потрібні для здійснення перетворень?

Al → AlCl₃ → Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄]

А HCl, H₂O, NaOH

Б HCl, NaOH, NaOH

В NaCl, NaOH, NaOH

Г HCl, NaOH, H₂O

Розв'язання:

• Стадія 1: Al → AlCl₃. Алюміній реагує з хлоридною кислотою: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑. Потрібен HCl, не NaCl (NaCl не реагує з Al).

• Стадія 2: AlCl₃ → Al(OH)₃. Сіль алюмінію реагує з лугом без надлишку: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl. Потрібен NaOH.

• Стадія 3: Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄]. Амфотерний гідроксид реагує з надлишком лугу в розчині: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Потрібен NaOH (надлишок).

Отже, реагенти: HCl, NaOH, NaOH — варіант Б.

Чому інші неправильні: А — вода не перетворить AlCl₃ на Al(OH)₃ (потрібен луг без надлишку); В — NaCl не реагує з Al; Г — H₂O не перетворить Al(OH)₃ на Na[Al(OH)₄].

Приклад 4. Неможливий ланцюжок

Який ланцюжок перетворень не можна здійснити?

А Ca → Ca(OH)₂ → CaCl₂

Б CuO → Cu(OH)₂ → CuCl₂

В S → SO₂ → Na₂SO₃

Г Mg → MgCl₂ → Mg(OH)₂

Розв'язання:

• А: Ca → Ca(OH)₂ — Ca реагує з водою: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O. Можна.

• Б: CuO → Cu(OH)₂ — CuO не реагує з водою! Це неможливо. Отже, ланцюжок Б не можна здійснити.

• В: S + O₂ → SO₂; SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O. Можна.

• Г: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑; MgCl₂ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2NaCl. Можна.

Відповідь: Б (CuO → Cu(OH)₂ → CuCl₂).

Розбираючи ланцюжки перетворень, легко припуститися однотипних помилок. Ось типові пастки — запам'ятай їх, щоб не втратити бали на НМТ.

• Записують CuO + H₂O → Cu(OH)₂ або SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃. Насправді ці оксиди з водою не реагують. Cu(OH)₂ добувають із солі Купруму дією лугу, а H₂SiO₃ — із силікату дією кислоти.

• Добирають реагент, з яким реакція не відбувається: Cu + HCl → CuCl₂ (Cu стоїть після H у ряді активності, тому не витісняє водень) або CuO + NaCl (оксид не реагує з сіллю). Завжди перевіряй ряд активності металів і таблицю розчинності.

• Перестрибують стадію: пишуть S → SO₃ одним кроком (насправді спочатку SO₂, потім SO₃) або CaCO₃ → Ca(OH)₂ (карбонат не перетворюється на основу прямо). Пам'ятай: одна стрілка — одне рівняння.

• Продовжують ланцюжок від осаду BaSO₄ чи AgCl без обґрунтованого реагенту й умов. Ці солі нерозчинні, і їхнє подальше перетворення потребує специфічних умов (наприклад, сплавляння з содою для BaSO₄). Не намагайся «автоматично» переставити йони — перевір, чи реакція взагалі можлива.

• Не враховують умов для амфотерних сполук: плутають розчин і сплавляння, не беруть до уваги надлишок лугу. Наприклад, Al(OH)₃ + NaOH (розчин, надлишок) → Na[Al(OH)₄], але Al(OH)₃ + NaOH (сплавляння) → NaAlO₂ + 2H₂O. Умови змінюють продукт!

• На стадії зі зміною ступеня окиснення не добирають окисника чи відновника: Cu → CuO потребує O₂ (окисник), CuO → Cu потребує H₂ або C (відновник). Якщо ступінь окиснення не змінюється — це реакція обміну, сполучення або розкладу.

Тема «Генетичні зв'язки» (пункт 2.2.6 програми) не має окремого завдання в демоваріанті НМТ 2026 року, але ланцюжки перетворень можуть трапитися в різних форматах. У демоваріанті 2026 року ланцюжок є в завданні № 13 (органічні сполуки, типи реакцій).

Формати завдань

Що можна використовувати

Під час тестування тобі надають довідкові матеріали: таблицю розчинності кислот, основ і солей у воді та ряд активності металів. Вони допомагають перевірити кожну стадію ланцюжка. Але рівнянь реакцій у довідці немає — їх треба знати.

Стратегія для логічних пар

• Спершу закрий однозначні стадії: нагрівання нерозчинної основи (Cu(OH)₂ → CuO), дія лугу на сіль з утворенням осаду (CuSO₄ → Cu(OH)₂).

• Потім розбери стадії, де потрібна кислота або вода.

• Зайві варіанти — це зазвичай речовини, з якими реакція не відбувається (CuO + H₂O, Cu + HCl, CuO + NaCl).

• Якщо сумніваєшся, перевір за таблицею розчинності: чи утворюється осад? чи виділяється газ?

Стратегія для завдання № 24

У завданні № 24 демоваріанта (коротка відповідь, 0 або 2 бали) дано суміш середньої й кислої солей, яка зазнає двох обробок (KOH і HNO₃). Тобі потрібно записати три рівняння реакцій. Спершу запиши всі рівняння на чернетці, потім перенеси відповідь. Пам'ятай: кисла сіль реагує з лугом, утворюючи середню сіль, а середня сіль може реагувати з кислотою.

• Генетичний ряд металу: метал → основний оксид → основа → сіль.

• Генетичний ряд неметалу: неметал → кислотний оксид → кислота → сіль.

• У розглянутих ланцюжках Cu(OH)₂ добувають із солі й лугу (не з CuO), а H₂SiO₃ — із силікату й кислоти (не з SiO₂).

• Якщо ступінь окиснення змінюється, на стадії потрібен окисник (O₂, Cl₂) або відновник (H₂, C, активніший метал).

• Кожну стадію перевіряй за таблицею розчинності й рядом активності металів.

• Для амфотерних сполук важать умови: розчин чи сплавляння, надлишок лугу.

• Одна стрілка в ланцюжку — одне хімічне рівняння. Не можна перестрибувати через стадію.

• Неможливі одностадійні перетворення: S → SO₃, CuO → Cu(OH)₂, SiO₂ → H₂SiO₃, CaCO₃ → Ca(OH)₂.