Типові завдання НМТ: метали і неметали

Неметали можуть виявляти як окисні, так і відновні властивості — це залежить від того, з яким реагентом вони взаємодіють. Єдиний спосіб визначити роль неметалу в конкретній реакції — порівняти ступені окиснення елемента до й після реакції. Якщо ступінь окиснення зменшився (елемент приєднав електрони) — він окисник; якщо зріс (віддав електрони) — відновник.

Галогени — типові окисники

Галогени (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) — сильні окисники, але їхня окисна здатність зменшується в групі зверху вниз. Найсильніший окисник — фтор, далі хлор, потім бром, а найслабший — йод. Це ілюструють реакції витіснення:

• Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂ — хлор витісняє бром, бо Cl₂ — сильніший окисник.

• Br₂ + 2NaCl → не йде — бром слабкіший за хлор, тому не може витіснити хлор.

Отже, у реакції з галогенідом сильніший галоген окиснює аніон слабкішого.

Кисень — сильний окисник

Кисень O₂ майже завжди виступає окисником, його ступінь окиснення змінюється з 0 до -2. Приклад:

• S + O₂ → SO₂ (сірка окиснюється, кисень відновлюється)

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (фосфор окиснюється, кисень — окисник)

Водень і вуглець — відновники

Водень H₂ і вуглець C відновлюють метали з їхніх оксидів. У таких реакціях вони є відновниками, а оксид металу — окисником.

• CuO + H₂ → Cu + H₂O — водень відновлює мідь (Cu²⁺ → Cu⁰), сам окиснюється до H₂O.

• Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO — вуглець відновлює залізо, перетворюючись на карбон(II) оксид.

Сірка й азот — подвійна поведінка

Деякі неметали можуть бути як окисниками, так і відновниками — усе залежить від другого реагенту.

Сірка S:

• S + H₂ → H₂S — ступінь S зменшується від 0 до -2, сірка — окисник.

• S + O₂ → SO₂ — ступінь S зростає від 0 до +4, сірка — відновник.

Азот N₂:

• N₂ + O₂ → 2NO — ступінь N зростає від 0 до +2, азот — відновник.

• N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — ступінь N зменшується від 0 до -3, азот — окисник.

Алгоритм визначення: 1) познач ступені окиснення елемента в реагентах і продуктах; 2) якщо ступінь зменшився — елемент окисник; якщо зріс — відновник. Запам'ятай: окисник сам відновлюється, а відновник сам окиснюється.

Сполуки неметалів з Гідрогеном здебільшого леткі речовини: багато з них — гази, хоча H₂O за звичайних умов — рідина. Їхній склад можна передбачити за номером групи в Періодичній системі: елементи IV групи утворюють EH₄ (наприклад CH₄, SiH₄), V — EH₃ (NH₃, PH₃), VI — H₂E (H₂O, H₂S), VII — HE (HF, HCl). У завданнях НМТ довідка містить ці рядки.

Характер водних розчинів і pH

Потрапляючи у воду, ці сполуки по-різному змінюють pH. Важливо запам'ятати три ключові речовини:

Ряд за зростанням pH для розчинів однакової концентрації:

HCl < H₂S < NH₃

Зверни увагу: для порівняння pH використовують силу кислоти чи основи, а не кількість атомів Гідрогену в молекулі. HCl дисоціює повністю і дає багато H⁺, H₂S — частково, тому pH вищий. NH₃ у воді створює гідроксид-іони:

NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻

Взаємодія амоніаку з HCl: «білий дим»

Газоподібні NH₃ та HCl реагують між собою, утворюючи твердий амоній хлорид — дрібні кристали, які виглядають як білий дим:

NH₃(г) + HCl(г) → NH₄Cl(т)

Це одна з небагатьох реакцій «газ + газ → тверда речовина». Її часто використовують для якісного виявлення амоніаку або хлороводню.

Окиснення амоніаку

Амоніак може окиснюватися до азоту N₂ (без каталізатора) або до нітроген(II) оксиду NO (у присутності каталізатора). Це важливо в завданнях на генетичні ланцюжки.

Нітратна кислота HNO₃ і концентрована сульфатна кислота H₂SO₄ — сильні окисники. Їхня взаємодія з металами докорінно відрізняється від дії хлоридної або розведеної сульфатної кислоти: водень H₂ не виділяється, натомість утворюються продукти відновлення Нітрогену або Сульфуру (найчастіше їхні оксиди).

Нітратна кислота з міддю

Мідь стоїть у ряду активності правіше за Гідроген, тому з HCl або розведеною H₂SO₄ вона не реагує. Однак із HNO₃ реагує, причому продукт залежить від концентрації кислоти:

• Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O — виділяється бурий газ NO₂

• 3Cu + 8HNO₃(розв.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O — виділяється безбарвний газ NO, який на повітрі буріє (окиснюється до NO₂)

Запам'ятай: концентрована HNO₃ → NO₂; розведена HNO₃ → NO. Водень не виділяється в жодному разі!

Концентрована сульфатна кислота з міддю

Концентрована H₂SO₄ при нагріванні окиснює менш активні метали, зокрема мідь. Відновлюється Сульфур до SO₂:

Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Без нагрівання реакція практично не йде. Водень також не виділяється.

Пасивація: Fe, Al, Cr

Холодна концентрована HNO₃ та H₂SO₄ пасивують залізо, алюміній і хром. На поверхні металу утворюється щільна оксидна плівка (Fe₃O₄, Al₂O₃), яка блокує подальшу реакцію. Саме тому концентровану нітратну кислоту перевозять у залізних або алюмінієвих цистернах!

Мідь Cu та срібло Ag не пасивуються — вони реагують із концентрованою HNO₃ навіть на холоді.

Глибше відновлення: активні метали

Активніші метали (Mg, Zn) здатні відновлювати кислоти глибше:

• Розведена HNO₃ із Zn: можливі продукти — N₂O, N₂ або навіть NH₄NO₃ (залежно від концентрації)

• Концентрована H₂SO₄ із Zn: можливі продукти — SO₂, S або H₂S. Приклад: 4Zn + 5H₂SO₄ → 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

Який саме продукт утворюється — зазвичай указано в умові завдання або можна визначити за зміною ступеня окиснення.

Ряд активності металів (електрохімічний ряд напруг) — головний інструмент для прогнозування, чи реагує метал із кислотою. У довідці НМТ подано розширений ряд, що містить Sr, Be, Cr, Cd, Bi.

Взаємодія з кислотами за рядом активності

Метал, що стоїть лівіше за Гідроген (H) у ряду, витісняє водень із розведених кислот (HCl, H₂SO₄(розв.)). Метал, що стоїть правіше H (Cu, Ag, Hg), не реагує з цими кислотами.

• Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — цинк (ліворуч H) реагує

• Cu + HCl → не реагує — мідь (праворуч H)

Лужні (Li, Na, K) та лужноземельні (Ca, Sr, Ba) метали реагують навіть із водою, витісняючи водень.

Сплави: латунь, бронза, сталь і чавун

Ключова ідея для розрахунків: якщо сплав обробляють кислотою, реагує лише той компонент, що стоїть лівіше H. Для латуні це Zn, а Cu залишається в осаді. За об'ємом виділеного H₂ обчислюють масу активного металу, а потім масу іншого компонента як різницю.

Залізо: різні ступені окиснення

Залізо може утворювати сполуки Fe²⁺ або Fe³⁺ залежно від окисника:

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — утворюється Fe²⁺ (хлоридна кислота — слабкий окисник)

• 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ — утворюється Fe³⁺ (хлор — сильний окисник)

• Fe(OH)₂ на повітрі окиснюється: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃ (зелений осад буріє)

Алюміній: амфотерність

Алюміній — активний метал, але стійкий завдяки тонкій оксидній плівці Al₂O₃. Його оксид і гідроксид амфотерні, тому Al реагує і з кислотами, і з лугами:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Це важливо: більшість металів не реагують із лугами, а алюміній — реагує, і виділяє водень.

У цьому розділі розберемо чотири типові завдання НМТ, які охоплюють основні теми — від газів-продуктів до розрахунку складу сплаву.

Приклад 1. Пари «метал + кислота — газ»

Установіть відповідність між реагентами (метал + кислота) та газоподібним продуктом реакції.

Реагенти:

1. Cu + HNO₃(конц.)

2. Cu + HNO₃(розв.)

3. Zn + HCl(розв.)

Гази: А) NO₂, Б) NO, В) H₂, Г) SO₂, Д) N₂

Розв'язання. Для кожної пари визначаємо можливий продукт.

• 1 — Cu + конц. HNO₃. Концентрована нітратна кислота окиснює мідь до Cu(NO₃)₂, а сама відновлюється до NO₂ (бурий газ). Отже, 1 → А (NO₂).

• 2 — Cu + розв. HNO₃. Розведена нітратна кислота окиснює мідь, але відновлюється до NO (безбарвний газ, буріє на повітрі). Отже, 2 → Б (NO).

• 3 — Zn + розв. HCl. Цинк стоїть лівіше H у ряду активності, тому витісняє водень із хлоридної кислоти: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Отже, 3 → В (H₂).

Ключ: 1А, 2Б, 3В.

Чому Г (SO₂) і Д (N₂) зайві? SO₂ виділяється при взаємодії Cu з концентрованою H₂SO₄ (а не HNO₃). N₂ утворюється при відновленні розведеної HNO₃ активнішими металами (Mg, Zn), але не міддю. У цьому завданні обидва гази є дистракторами.

Приклад 2. pH і забарвлення індикатора

Фенолфталеїн набуває малинового забарвлення у водному розчині:

• А) амоніаку

• Б) гідроген хлориду

• В) гідроген сульфіду

• Г) карбон(IV) оксиду

Розв'язання. Фенолфталеїн змінює колір на малиновий у лужному середовищі (pH > 8,2). Серед запропонованих речовин лужне середовище дає лише водний розчин амоніаку:

NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻

Утворені гідроксид-іони OH⁻ зумовлюють лужну реакцію, і фенолфталеїн стає малиновим.

Ключ: А (амоніак).

Розчини HCl і H₂S — кислі (pH < 7), тому фенолфталеїн у них безбарвний. Розчин CO₂ у воді (карбонатна кислота) також має pH < 7.

Приклад 3. Розрахунок складу сплаву

Сплав міді та цинку масою 20 г обробили надлишком хлоридної кислоти. При цьому виділилось 4,48 л водню (н. у.). Обчисліть масу міді в сплаві (у грамах).

Розв'язання.

1. Із HCl реагує лише цинк (Cu стоїть правіше H і не реагує). Рівняння: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.

2. Об'єм водню 4,48 л (н. у.). Кількість речовини: n(H₂) = 4,48 / 22,4 = 0,2 моль.

3. За рівнянням n(Zn) = n(H₂) = 0,2 моль.

4. Маса цинку: m(Zn) = 0,2 · 65 = 13 г.

5. Маса міді: m(Cu) = 20 − 13 = 7 г.

Відповідь: 7 г.

Типова помилка — ділити 20 г на обидва метали або вважати, що мідь теж реагує. Пам'ятай: Cu з HCl не взаємодіє.

Приклад 4. Пасивація металів

Яка пара металів не реагує з холодною концентрованою HNO₃ через утворення захисної оксидної плівки?

• А) Al і Fe

• Б) Cu і Ag

• В) Zn і Mg

• Г) Na і K

Розв'язання. Пасивація — це утворення на поверхні металу щільної оксидної плівки, яка блокує подальшу реакцію. Холодна концентрована HNO₃ пасивує залізо, алюміній та хром. З варіантів — Al і Fe (А).

Ключ: А (Al і Fe).

Cu і Ag (Б) реагують з концентрованою HNO₃ без нагрівання (утворюють NO₂). Zn і Mg (В) — активні метали, вони реагують з HNO₃ (хоча й з утворенням різних продуктів, але через пасивацію — ні). Na і K (Г) вибухово реагують з водою, а з кислотою — теж реагують.

Під час розв'язування завдань НМТ на метали й неметали учні найчастіше припускаються таких помилок.

• Вважати водень продуктом реакції металу з нітратною чи концентрованою сульфатною кислотою. Насправді HNO₃ та концентрована H₂SO₄ — сильні окисники, і водень з ними не виділяється. Продуктами відновлення є сполуки чи прості речовини Нітрогену (NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃) або Сульфуру (SO₂, S, H₂S).

• Плутати NO₂ (з концентрованою HNO₃) і NO (з розведеною HNO₃). Запам'ятай асоціацію: концентрована → концентрований колір (NO₂ — бурий); розведена → безбарвний (NO — безбарвний, буріє на повітрі).

• Вважати, що Cu реагує з розведеною HCl або H₂SO₄. Мідь стоїть правіше Гідрогену в ряду активності, тому з розведеними кислотами-неокисниками вона не реагує. Для взаємодії потрібна HNO₃ або концентрована H₂SO₄ (при нагріванні).

• Не враховувати пасивацію Fe й Al холодною концентрованою кислотою. Холодна конц. HNO₃ і H₂SO₄ пасивують Fe, Al, Cr — утворюють оксидну плівку, яка блокує реакцію. При нагріванні пасивація зникає.

• Плутати Fe²⁺ (з HCl) і Fe³⁺ (з Cl₂) у продуктах. Розведена HCl окиснює Fe лише до Fe²⁺: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Хлор — сильніший окисник, він окиснює Fe до Fe³⁺: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.

• Рахувати склад сплаву за загальною масою замість маси того компонента, що реагує. Наприклад, у латуні (Cu + Zn) із HCl реагує лише Zn. За об'ємом H₂ знаходять масу Zn, а масу Cu — як різницю загальної маси та маси Zn. Не можна ділити загальну масу на обидва метали.

Завдання на метали й неметали та їхні сполуки входять до НМТ з хімії. Розгляньмо, у яких номерах і формах вони з'являються.

Демоваріант 2026 року

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 завдання на цю тему були представлені в кількох номерах:

• № 5 — порівняння pH водних розчинів сполук неметалічних елементів з Гідрогеном (HCl, H₂S, NH₃). Це завдання з вибором однієї правильної відповіді.

• № 8 — визначення складу сплаву за взаємодією з кислотою (ряд активності металів). Це завдання з вибором однієї відповіді (0 або 1 бал).

• № 9 — взаємодія газоподібних сполук неметалічних елементів з Гідрогеном (наприклад, NH₃ + HCl → NH₄Cl). Теж завдання з вибором однієї відповіді.

• № 23 — розрахункова задача на відносний вихід продукту за об'ємами газів.

Форми завдань

Завдання з теми «Метали й неметали» можуть мати будь-яку з трьох форм НМТ:

• Вибір однієї з чотирьох (А–Г) — 1 бал. Наприклад: визначення pH, продукту реакції, пасивації.

• Логічні пари (1–3 → А–Д) — від 0 до 3 балів. Наприклад: зіставити пару «метал + кислота» з газом.

• Коротка відповідь (число) — 0 або 2 бали. Наприклад: обчислити масу металу в сплаві.

Довідка на НМТ

Довідкові матеріали містять:

• ряд активності металів (розширений: Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Be, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H₂), Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au)

• Періодичну систему з рядками летких сполук з Гідрогеном (EH₄, EH₃, H₂E, HE)

Користуйся довідкою активно — вона містить підказки для визначення складу летких сполук і прогнозування реакційної здатності металів.

• З HNO₃ і концентрованою H₂SO₄ водень не виділяється. Продукти — сполуки Нітрогену (NO₂, NO тощо) або Сульфуру (SO₂, H₂S тощо).

• Cu + конц. HNO₃ → NO₂ (бурий газ); Cu + розв. HNO₃ → NO (безбарвний).

• Fe, Al, Cr пасивуються холодною концентрованою HNO₃ та H₂SO₄. Cu й Ag — ні, вони реагують.

• Ряд pH для однакової концентрації: HCl < H₂S < NH₃.

• Склад сплаву (наприклад, латуні) знаходять за реакцією активного компонента (Zn) з кислотою. Пасивний компонент (Cu) не реагує, його масу отримують відніманням.

• Залізо з HCl дає Fe²⁺ (FeCl₂), а з Cl₂ — Fe³⁺ (FeCl₃). Fe(OH)₂ на повітрі окиснюється до Fe(OH)₃ (буріє).

• Алюміній реагує і з кислотами, і з лугами (амфотерність).