Качественные реакции и распознавание веществ

Белый осадок, выделение газа или изменение окраски помогают установить состав образца. Но один признак редко позволяет назвать любое неизвестное вещество. Для распознавания нужны предполагаемый состав, подходящие условия и реакции, различающие именно рассматриваемые варианты. Важно также не внести искомый ион самим реагентом.

Что называют качественной реакцией

Качественная реакция позволяет обнаружить определённую частицу или структурный фрагмент по характерному превращению. Надёжность вывода зависит от условий и присутствия других компонентов. Качественный анализ отвечает прежде всего «что присутствует», количественный — «сколько».

Реакция осаждения AgCl сообщает о взаимодействии Ag⁺ с Cl⁻, но белый осадок неизвестного состава не обязан быть AgCl. Ионы Ba²⁺ образуют осадки не только с сульфатом, а многие восстановители выделяют серебро из соответствующего реагента. Поэтому наблюдение связывают с уравнением и возможными помехами.

В школьной задаче часто дан замкнутый набор: известно, что образец содержит одну из трёх солей без примесей. В реальном анализе состав может быть сложнее. Такая разница условий объясняет, почему удобная схема распознавания трёх чистых веществ не является универсальным методом исследования любой смеси.

Некоторые реакции анионов

Таблицы относятся к водным растворам и указанным условиям. Это учебная карта выбора признаков, а не инструкция для домашнего опыта. Работа с кислотами, солями бария и серебра, щёлочью и нагреванием требует оборудованной лаборатории и преподавателя.

Сокращённые ионные уравнения осаждения:

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

AgBr обычно кремовый, AgI — жёлтый. Оттенки зависят от условий наблюдения; сравнительные пробы в подходящей системе информативнее слов «любой светлый осадок». Для сложной смеси одной окраски может быть недостаточно.

Карбонат с кислотными протонами даёт газ и воду:

CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O.

CO₂ образует осадок с известковой водой, однако при достаточном избытке углекислого газа в присутствии воды он может раствориться:

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Поэтому отсутствие устойчивой мутности после длительного поступления газа не всегда опровергает первоначальное образование карбоната.

Некоторые реакции катионов

В обычных школьных водных условиях Cu²⁺ с OH⁻ образует голубой гидроксид, Fe³⁺ — красно-бурый осадок гидроксидного состава:

Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓.

Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓.

Формула Fe(OH)₃ — обычная школьная запись; устройство реального гидратированного осадка сложнее. Окраску сопоставляют с условиями, а не объявляют независимым доказательством любого вещества с железом или медью.

Ион аммония при взаимодействии с сильным основанием образует аммиак:

NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O.

При подходящих условиях, в том числе нагревании, NH₃ выделяется из раствора. Его щелочные свойства проявляются во взаимодействии с водой и изменении соответствующего индикатора. Распознавание газа не строят на непосредственном вдыхании.

Реагент не должен сам вносить обнаруживаемую частицу. Добавление HCl перед пробой на Cl⁻ или H₂SO₄ перед пробой на SO₄²⁻ делает вывод о первоначальном образце недостоверным.

Результаты разных реакций обычно относят к отдельным исходным порциям образца. Перенос смеси реагентов из одной проверки в другую может создать новые осадки или скрыть исходные частицы. Это химическая причина учитывать происхождение каждого иона.

Уравнения для расширенной карты реакций

В молекулярных примерах выбраны растворимые соли. Сокращённые уравнения показывают обнаруживаемые частицы; ионы-наблюдатели в них не входят. Для Mg(II), Ca(II) и Fe(II):

MgCl₂ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2NaCl.

Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓.

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl.

Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓.

FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl.

Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓.

Постепенное побурение на воздухе объясняют окислением. Обычная школьная запись материального баланса:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃.

Реальные гидратированные осадки могут иметь более сложный состав; формула Fe(OH)₃ здесь служит учебной моделью.

Амфотерные гидроксиды: почему нужен избыток

Небольшое количество щёлочи осаждает гидроксиды, а достаточный избыток в водной среде переводит Al и Zn в растворимые гидроксокомплексы:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl.

Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓.

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻.

ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl.

Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓.

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻.

Оба белых осадка растворяются в избытке NaOH, поэтому этот результат не различает Al и Zn. На отдельной исходной порции избыток водного аммиака позволяет перевести соединение цинка в амминный комплекс, тогда как Al(OH)₃ в обычной школьной пробе сохраняется. Сокращённая запись растворения гидроксида цинка:

Одинаковый первый признак ещё не даёт ответа

Чтобы читать следующую схему, удерживайте исходный список: допускаются только MgCl₂, AlCl₃ и ZnCl₂. Первый белый осадок общий для всех трёх. Данные об избытке NaOH отделяют Mg, но оставляют два варианта. Ещё одно различающее наблюдение нужно именно для этой пары, а не для повторения уже известного белого цвета.

Zn(OH)₂ + 4NH₃ ⇌ [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻.

Избыток аммиака смещает равновесие комплексообразования. Это не реакция «любого гидроксида с любым основанием»: решает природа комплекса и условия.

Фосфатные и силикатные формы: где школьная запись условна

В растворе соотношение H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻ зависит от pH. При подходящей среде образуется Ag₃PO₄. Молекулярная и сокращённая школьные записи, показывающие состав осадка:

Na₃PO₄ + 3AgNO₃ → Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃.

3Ag⁺ + PO₄³⁻ → Ag₃PO₄↓.

Эти записи не утверждают, что весь фосфор раствора находится в виде свободного PO₄³⁻, и не разрешают игнорировать сильную щёлочность исходного раствора Na₃PO₄. Среду для пробы подбирают отдельно. При достаточном подкислении осадок растворяется; предельную школьную схему с образованием H₃PO₄ записывают так:

Ag₃PO₄ + 3HNO₃ → 3AgNO₃ + H₃PO₄.

Ag₃PO₄ + 3H⁺ → 3Ag⁺ + H₃PO₄.

Распределение растворённых фосфатных форм при этом по-прежнему определяется pH. В отличие от этой пробы, стандартную проверку хлорида серебром проводят уже в разбавленной азотнокислой среде.

При подкислении растворимого силиката образуется гидратированный кремнезём переменного состава, нередко в виде геля. Школьная условная запись:

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.

SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓.

H₂SiO₃ здесь — формальная запись состава, а не утверждение о выделении чистого молекулярного вещества с неизменной формулой. Степень гидратации, полимеризация и скорость образования геля зависят от условий. Подробности — в статьях о фосфоре и кремнии.

Качественные признаки органических веществ

Фенол может давать характерный комплекс с Fe(III), но другие фенольные соединения и некоторые иные вещества тоже окрашиваются. Обесцвечивание бромсодержащего реагента показывает реакцию с ним, а не является уникальным доказательством алкена: реагировать могут и другие соединения.

Три разобранных примера

1. Хлорид, карбонат или сульфат натрия

В задаче три чистых раствора содержат по одной из солей NaCl, Na₂CO₃, Na₂SO₄. Для каждого даны результаты на отдельных исходных порциях. Образец A с кислотой выделяет CO₂ — это карбонат. Из оставшихся B даёт BaSO₄ в подходящей кислой среде — сульфат. Образец C даёт AgCl в стандартной пробе — хлорид.

Вывод верен для указанного набора и отсутствия примесей. Перечисление реагентов без этих исходных ограничений было бы неполным доказательством.

2. Медь(II) и железо(III)

Для растворов CuSO₄ и FeCl₃ наблюдают голубой и красно-бурый осадки при образовании соответствующих гидроксидов. Ионные уравнения выше показывают расход OH⁻: два на Cu²⁺ и три на Fe³⁺. Цвет и стехиометрия согласованы, но кислотные остатки в этих сокращённых уравнениях непосредственно не определяются.

3. Этанол, глицерин или глюкоза

В условной школьной системе глицерин и глюкоза дают с Cu(II) интенсивно синие комплексы, а этанол не даёт аналогичного признака. При последующем подходящем нагревании глюкоза проявляет восстановительные свойства с образованием Cu₂O; глицерин в выбранной пробе такого результата не даёт.

Так различают три предложенных чистых вещества по совокупности результатов. За пределами этого набора могут существовать другие многоатомные соединения и восстановители, поэтому наблюдения не доказывают уникальность названий сами по себе.

Частые ошибки

• Называть любое шипение выделением CO₂, а любой белый осадок — AgCl.
• Не учитывать кислотность, концентрации, избыток реагента и комплексообразование.
• Вносить искомый ион кислотой или солью реагента.
• Считать положительную органическую пробу уникальным паспортом одной молекулы.

Хороший вывод связывает наблюдение, уравнение, условия и перечень возможных веществ. Если несколько вариантов дают одинаковый признак, нужна дополнительная независимая информация.

Пять заданий

1. Запишите сокращённое ионное уравнение образования AgCl и проверьте заряд.
2. Почему серная кислота не подходит для внесения кислой среды перед подтверждением исходного сульфат-иона барием?
3. Запишите реакцию NH₄⁺ с OH⁻.
4. Почему «серебряное зеркало» не доказывает присутствие именно глюкозы?
5. В расчётной модели 0,030 моль Ba²⁺ взаимодействует с 0,020 моль SO₄²⁻. Сколько BaSO₄ образуется при полном осаждении без других реакций? M ≈ 233 г/моль.

Ответы с объяснениями

1. Уравнение образования осадка:

   Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

   Сумма зарядов +1 − 1 = 0, продукт нейтрален.
2. Она сама вносит сульфатные формы. Осадок может появиться из-за реагента, а не исходного образца.
3. Образуются аммиак и вода:

   NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O.

   Заряд слева и справа равен нулю.
4. Ag(I) восстанавливают и другие сахара, альдегиды и некоторые иные вещества; нужен анализ остальных признаков и исходных условий.
5. Соотношение ионов 1 : 1, поэтому лимитирует сульфат:

   n(BaSO₄) = 0,020 моль; m(BaSO₄) ≈ 0,020 · 233 = 4,66 г.

   Остаются 0,010 моль Ba²⁺ в принятой модели.

Восемь задач на выбор последовательности проб

Во всех задачах даны чистые отдельные растворы из явно указанного набора. Предполагается достаточная концентрация для описанного признака, исправные реагенты и отсутствие посторонних примесей. Результаты относятся к новым исходным порциям, если не сказано иначе. Это анализ готовых учебных наблюдений; воспроизводить опыты дома не предлагается.

1. Три раствора — NaCl, Na₂SO₄ и Na₂CO₃. Как сначала выделить карбонат, затем различить оставшиеся соли? Укажите, почему нельзя начинать хлоридную пробу с HCl.
2. Три раствора — MgCl₂, AlCl₃, ZnCl₂. Все дают со щёлочью белый осадок. Два осадка растворяются в избытке NaOH. На свежих порциях из этих двух только один раствор даёт осадок, растворимый в избытке NH₃. Определите все вещества.
3. Три раствора — FeCl₂, FeCl₃, CuSO₄. После добавления NaOH наблюдаются зеленоватый, красно-бурый и голубой осадки. Через некоторое время первый буреет на воздухе. Объясните, какие исходные катионы обнаружены и почему важна первая запись наблюдения.
4. Даны CaCl₂ и MgCl₂. Оба образца с карбонатом натрия дают белый осадок. Лабораторная проба пламени чистой исходной порции A при контроле примесей даёт кирпично-красную окраску, B — не даёт такого признака. Достаточна ли первая проба? Какой вывод допустим в указанном наборе?
5. Даны NaCl, NaI и раствор ортофосфатной соли натрия с подходящей для серебряной пробы средой. Осадки с AgNO₃: A — белый, B и C — жёлтые. Осадок B растворяется при последующем действии разбавленной HNO₃, C сохраняется. Определите анионы и объясните роль второй проверки.
6. Даны Na₂CO₃, Na₂SiO₃, Na₂SO₄. При подходящем подкислении A выделяет газ, дающий первоначальное помутнение известковой воды; B образует студенистый продукт; C не даёт этих признаков. Какой дополнительной реакцией на свежей порции подтвердить C? Почему отсутствие геля в очень разбавленном растворе было бы слабым основанием?
7. Перед пробой неизвестного образца на Cl⁻ исследователь добавил HCl и затем AgNO₃. В другом образце перед пробой на SO₄²⁻ использовал H₂SO₄ и затем Ba(NO₃)₂. В обоих случаях появился белый осадок. Какие выводы недостоверны и как исправить план анализа?
8. Даны NaOH, NH₄NO₃ и KNO₃. Один раствор сразу проявляет сильную щелочную реакцию индикатора. Из двух остальных при подходящем нагревании с NaOH только один выделяет газ, изменяющий цвет влажного красного лакмуса вне жидкости на синий; попадание капель исключено. Составьте последовательность распознавания и уравнение для соли аммония. Доказывает ли отрицательная газовая проба присутствие KNO₃ в произвольном неизвестном образце?

Разбор ответов

1. На отдельных порциях подходящая разбавленная кислота выявляет карбонат по CO₂ с дополнительным подтверждением газа. На новых порциях оставшихся образцов азотнокислая среда и Ba(NO₃)₂ выявляют SO₄²⁻. Хлорид подтверждают AgNO₃ в стандартной азотнокислой среде. Молекулярные примеры:

   Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + CO₂↑ + H₂O.

   Na₂SO₄ + Ba(NO₃)₂ → BaSO₄↓ + 2NaNO₃.

   NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃.

   HCl внесла бы обнаруживаемый Cl⁻ сама. Ионные уравнения этих превращений приведены выше.

2. Осадок, сохраняющийся в избытке NaOH, соответствует Mg(OH)₂. Два амфотерных осадка — Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. В избытке аммиака растворяется цинковый, а алюминиевый сохраняется. Поэтому одной щёлочной пробы недостаточно; перенести уже сильнощелочную смесь в аммиачную проверку было бы ошибкой.

3. Зеленоватый осадок — Fe(OH)₂, красно-бурый — Fe(OH)₃, голубой — Cu(OH)₂. Исходные катионы соответственно Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺. Позднее Fe(II) окисляется кислородом воздуха; наблюдение только старого бурого осадка скрыло бы исходную степень окисления. Для Fe(III) и Cu(II) молекулярные примеры:

   FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.

   CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

4. Карбонатная проба не различает предложенные катионы: белый осадок не специфичен для кальция. Для данного замкнутого набора совокупность результатов указывает на A = CaCl₂, B = MgCl₂. За пределами этого набора отсутствие характерной окраски само по себе не является универсальной положительной пробой на Mg.

5. A содержит Cl⁻, B — ортофосфатные формы, C — I⁻. Жёлтый цвет один не различает Ag₃PO₄ и AgI. Растворение B в выбранной кислотной проверке согласуется с протонированием фосфата, а сохранение C — с AgI. Для иодида:

   NaI + AgNO₃ → AgI↓ + NaNO₃; Ag⁺ + I⁻ → AgI↓.

   Ответ опирается на указанный набор и условия. В сложном образце возможны дополнительные осадки и смеси.

6. A — карбонат, B — силикат, C — сульфат. Сульфат подтверждают устойчивым BaSO₄ в подходящей разбавленной кислой среде на свежей порции. Для силикатов видимый гель зависит от концентрации и времени; его отсутствие при других условиях не означает доказанного отсутствия кремния. В этой задаче состав установлен по всему набору признаков.

7. Нельзя утверждать, что обнаружены исходные Cl⁻ и SO₄²⁻: их внесли сами кислоты. Требуются новые исходные порции и реагенты, не содержащие искомый ион; для описанных проб подходит соответствующая разбавленная азотнокислая среда. Холостая проба реагентов помогает обнаружить загрязнение, но не исправляет уже изменённый образец.

8. Сначала индикатор отличает NaOH в данном наборе. На свежих порциях двух остальных щёлочь с подходящим нагреванием обнаруживает NH₄⁺ по аммиаку. Оставшийся образец в закрытом наборе — KNO₃. Уравнения:

   NH₄NO₃ + NaOH → NaNO₃ + NH₃↑ + H₂O.

   NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O.

   В произвольном образце отрицательная аммиачная проба не доказывает KNO₃: множество веществ не содержит аммония.

Обратные задачи: гипотезы, данные и единственность

Основной маршрут 10–11; разбор наблюдений доступен после курса 8–9. Нужны моль, баланс реакции, степени окисления и электронный баланс. Для металлической пластинки пригодится разность масс осевшего и растворившегося металлов. Новые задачи объединяют расчёт с проверкой гипотез; они не заменяют прежнюю карту качественных реакций.

Решение обратной задачи должно объяснить все данные в рамках указанного набора веществ и условий. Если два допустимых состава дают те же результаты, единственность ещё не доказана: нужно дополнительное условие или измерение, которое различит эти составы.

Сначала сформулируй варианты: одно чистое вещество или смесь, безводная соль или гидрат, какой растворитель и какие продукты допустимы. Затем переведи наблюдения в уравнения с условиями применимости. Проверь атомы, заряд, неотрицательность количеств и единицы. В конце подставь ответ во все исходные данные и попробуй построить альтернативу. Это полезнее, чем выбирать ближайшую атомную массу до проверки реакции.

Независимость данных здесь означает независимость уравнений для состава. Массу одного и того же чистого CO₂ можно измерить отдельно от количества вещества; это помогает контролю качества. Но если M(CO₂) уже известно, условия m = Mn и заданное n описывают один и тот же итоговый запас CO₂. Они не обязательно дают два разных ограничения на исходную смесь. Это не утверждение о статистической зависимости ошибок приборов.

Разбор A. Чистый карбонат или смесь с той же массой и тем же газом

Дан сухой образец массой 5,30 г. При полном взаимодействии с достаточным количеством водной кислоты из него количественно получено 0,0500 моль CO₂, то есть 2,20 г при M(CO₂) = 44,0 г/моль. Учёт растворённого газа и воды выполнен в исходных данных. Сравним две гипотезы: чистый безводный Na₂CO₃ или смесь NaHCO₃ с NaCl. Примем молярные массы 106; 84,0; 58,5 г/моль соответственно.

CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂ + H₂O;   HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O.

Чистый карбонат подходит: 5,30 / 106 = 0,0500 моль соли и столько же CO₂. Но подходит и другая навеска: 4,20 г NaHCO₃ плюс 1,10 г NaCl. Бикарбоната в ней 4,20 / 84,0 = 0,0500 моль, и он даёт столько же газа. NaCl в выбранной кислотной модели газ не образует, а общая масса снова 5,30 г. Даже совместные данные о массе образца, количестве и массе CO₂ не различают эти две гипотезы.

Подтверждающий расход кислотных протонов различит их: карбонат требует 0,100 моль H⁺, смесь с гидрокарбонатом — 0,0500 моль. Это именно расход для полного указанного превращения, а не всё количество кислоты, внесённое с избытком. Результат нужно получить независимо для соответствующей исходной навески или нормировать к ней; кислота, оставшаяся в растворе, не считается израсходованной.

Расширим заданный набор: образец может содержать все три соли. Пусть x = n(Na₂CO₃), y = n(NaHCO₃), z = n(NaCl), каждое количество в молях. Тогда:

x + y = 0,0500;   106x + 84,0y + 58,5z = 5,30.

Для каждого x от 0 до 0,0500 можно подобрать y = 0,0500 − x и z = (1,10 − 22,0x) / 58,5. Все количества неотрицательны, поэтому допустим целый ряд составов. Здесь численные коэффициенты в массовом балансе выражены в г/моль. Если независимо установлен расход 0,0750 моль H⁺, появляется новое уравнение:

2x + y = 0,0750;   x = y = 0,0250 моль.

Получаем 2,65 г Na₂CO₃, 2,10 г NaHCO₃ и оставшиеся 0,550 г NaCl. Подстановка даёт 5,30 г исходной смеси, 0,0500 моль CO₂ и 0,0750 моль H⁺. Единственность относится к этому набору трёх сухих солей, полному газообразованию и отсутствию других кислотопотребляющих компонентов.

Разбор B. Какое измерение нужно для неизвестного металла

В готовых результатах модельной реакции чистого металла M с водным раствором CuSO₄ масса сухой пластинки увеличилась на 0,600 г. Независимый анализ показал уменьшение общего количества Cu(II) в растворе на 0,0750 моль. По условию образуется только M²⁺, весь удалённый из раствора Cu осел на пластинке, других реакций, отделения осадка и потерь материала нет. Возможные металлы — Mg, Fe, Zn; для расчёта M(Cu) = 64,0 г/моль.

M + Cu²⁺ → M²⁺ + Cu;   n(M) = n(Cu) = 0,0750 моль.

Δm = n · [M(Cu) − M(M)];   M(M) = 64,0 − 0,600 / 0,0750 = 56,0 г/моль.

В заданном наборе это Fe. Осело 4,80 г Cu, растворилось 4,20 г Fe; разность равна 0,600 г. Наблюдение свежего зеленоватого гидроксидного осадка в отдельной правильно подготовленной пробе согласовалось бы с Fe(II), но оттенок в произвольной смеси не заменяет весь расчёт и условия.

Если убрать измерение количества Cu(II), ответ уже не единствен. Тот же прирост 0,600 г получается для 0,0150 моль Mg при M(Mg) = 24,0 г/моль: оседает 0,960 г Cu и растворяется 0,360 г Mg. И 0,0750 моль Fe тоже подходят. Один знак прироста указывает лишь, что в нашей модели M(M) меньше 64,0 г/моль. И валентность существенна: при другом заряде растворившегося металла соотношение его количества с Cu меняется по электронному балансу. Влажная пластинка или отслаивающаяся медь нарушили бы использованную модель масс.

Разбор C. Простейшее отношение атомов ещё не устанавливает фазу

Сухой образец содержит только Fe и O. Его масса 1,52 г, а количественный анализ показывает 1,12 г железа. Используем M(Fe) = 56,0 и M(O) = 16,0 г/моль. Требуется найти общее отношение атомов и проверить вывод «обязательно чистый оксид с такой формулой».

m(O) = 0,400 г;   n(Fe) = 1,12 / 56,0 = 0,0200 моль;   n(O) = 0,400 / 16,0 = 0,0250 моль.

n(Fe) : n(O) = 4 : 5;   средняя степень окисления Fe = 2 · 5 / 4 = +2,5.

Запись Fe₄O₅ передаёт простейшее общее отношение в этом образце. Она сама не доказывает одну индивидуальную кристаллическую фазу и не назначает каждому атому Fe дробный реальный заряд. Контрпример в школьной стехиометрической модели — 0,0100 моль FeO и 0,00500 моль Fe₂O₃:

m(FeO) = 0,720 г;   m(Fe₂O₃) = 0,800 г;   m(смеси) = 1,520 г.

В этой смеси 0,0200 моль Fe и 0,0250 моль O — те же исходные данные. Половина железа в модели находится в +II, половина в +III, среднее +2,5. Пример доказывает недостаточность элементного состава для вывода об одной фазе; он не объявляет синтез или устойчивость какого-либо нового оксида при любых условиях. Для утверждения о фазовой чистоте нужна структурная информация, например согласованный фазовый анализ. Даже установление общего количества Fe(II) и Fe(III) ещё не говорит, находятся ли они в одной решётке или в разных частицах.

Общий состав, средняя степень окисления, состав отдельных частиц и число фаз — разные уровни описания. Количественный анализ одного уровня не даёт автоматически полного ответа о другом.

Восемь задач на достаточность данных

Это самостоятельные расчётные модели, а не лабораторные инструкции. Если не указано иначе, сохраняются набор веществ и условия соответствующего разбора; все количества продуктов уже учитывают полноту анализа. Округлённые молярные массы взяты из разборов.

1. Для образца из разбора A известны 5,30 г исходного вещества, 0,0500 моль и 2,20 г CO₂. Приведи два допустимых разных состава. Какое новое число лучше различит их: повторный пересчёт массы CO₂ в моли или расход кислотных протонов?
2. Образец A допускает три соли Na₂CO₃, NaHCO₃, NaCl. При тех же массе и количестве CO₂ расход H⁺ равен 0,0800 моль. Найди массы всех трёх компонентов и проверь газовый баланс.
3. В разборе A заявлен расход 0,0400 моль H⁺ при тех же 0,0500 моль CO₂. Есть ли неотрицательное решение в данном наборе? Что следует проверить до попытки «угадать другую формулу»?
4. Для пластинки известен только прирост 0,600 г. Рассчитай допустимые количества растворившихся Mg и Fe и массы осевшей меди. Почему знак изменения массы не выбирает один из двух металлов?
5. В другой задаче пластинка изменила массу на −0,0750 г, а количество Cu(II) в растворе уменьшилось на 0,0750 моль. При тех же ограничениях M(II) и наборе Mg/Fe/Zn найди металл; для Zn в этой задаче принять M = 65,0 г/моль.
6. Образец только из Fe и O имеет массу 1,60 г и содержит 1,12 г Fe. Найди отношение Fe : O и среднюю степень окисления Fe. Доказывает ли сам расчёт устройство кристалла? Сопоставь с неоднозначностью разбора C.
7. В водном растворе по условию есть только Fe(II) и Fe(III), общее количество Fe равно 0,0200 моль. Независимая количественная окислительная проба в подходящей кислой среде израсходовала 0,00200 моль MnO₄⁻, превращённого только в Mn²⁺. Других восстановителей нет. Найди Fe(II) и Fe(III), используя электронный баланс. Достаточно ли было бы одного общего количества Fe?
8. Дополнительно. Для разбора B вместо точечных чисел заданы допустимые интервалы Δm ∈ [0,590; 0,610] г и n(Cu) ∈ [0,0740; 0,0760] моль. Любое сочетание внутри прямоугольника допустимо; это условие задачи, не вероятностная оценка. При M(Cu) = 64,0 г/моль найди диапазон M(M). Можно ли написать, что эксперимент установил ровно 56,0000 г/моль?

Ответы с проверкой гипотез

1. Подходят 5,30 г чистого Na₂CO₃ и смесь 4,20 г NaHCO₃ с 1,10 г NaCl. Обе навески дают 0,0500 моль газа. Повторный пересчёт m/M не создаёт другого ограничения состава. Расход H⁺ 0,100 или 0,0500 моль различит эти гипотезы при полном указанном превращении.
2. Из x + y = 0,0500 и 2x + y = 0,0800 получаем x = 0,0300, y = 0,0200 моль. Массы карбоната 3,18 г, гидрокарбоната 1,68 г; NaCl остаётся 5,30 − 3,18 − 1,68 = 0,440 г. Газ: x + y = 0,0500 моль; протоны: 2x + y = 0,0800 моль. Все массы неотрицательны, и сумма равна исходной.
3. Нет. Вычитание балансов даёт x = −0,0100 моль, что физически недопустимо. В этом наборе каждый моль CO₂ требует не менее одного моля кислотных протонов. Нужно проверить пересчёт на навеску, учёт избытка/остатка кислоты, полноту газового анализа, состав и допущения. Нельзя исправить противоречие просто выбором отрицательного количества соли.
4. Для Mg: n = 0,600 / (64,0 − 24,0) = 0,0150 моль, меди 0,960 г, Mg 0,360 г. Для Fe: n = 0,600 / (64,0 − 56,0) = 0,0750 моль, меди 4,80 г, Fe 4,20 г. Разность в обоих случаях +0,600 г. Прирост определяет произведение количества на разность молярных масс, а не каждую величину отдельно.
5. M(M) = 64,0 − (−0,0750) / 0,0750 = 65,0 г/моль, это Zn в данном наборе. Осело 4,80 г меди, растворилось 4,875 г цинка; разность −0,0750 г. Отрицательное Δm здесь согласуется с более тяжёлым вытесняющим металлом при соотношении 1 : 1, но вне заданной модели этого признака недостаточно.
6. Кислорода 0,480 г, или 0,0300 моль; Fe 0,0200 моль. Отношение 2 : 3 соответствует простейшей записи Fe₂O₃, средняя степень окисления +III. Это вывод об общем составе, а не измерение структуры. В разборе C другое отношение 4 : 5 было прямо воспроизведено смесью двух оксидов; само по себе совпадение состава не является универсальным критерием фазовой чистоты.
7. Fe(II) отдаёт один электрон при переходе в Fe(III), а один перманганат в данной кислой модели принимает пять. Баланс: 5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ → 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O. Поэтому n(Fe(II)) = 5 · 0,00200 = 0,0100 моль; исходного Fe(III) тоже 0,0100 моль. Одно общее количество Fe даёт только сумму двух неизвестных и допускает разные соотношения. Результат относится к исходному раствору, а не к количеству Fe(III) после окисления.
8. M(M) = 64,0 − Δm/n. При положительных Δm и n минимум получается для наибольшего Δm и наименьшего n; максимум — наоборот. Точный диапазон модели: [64,0 − 0,610/0,0740; 64,0 − 0,590/0,0760] г/моль, приблизительно [55,76; 56,24] г/моль. Из Mg/Fe/Zn подходит Fe, но число 56,0000 создало бы ложное впечатление точности. Неопределённость параметров модели и возможные неучтённые реакции оценивают отдельно.

Сверка принципов: IUPAC: количественный анализ и идентификация аналита, OpenStax: стехиометрические отношения, количественный химический анализ и ограничения точности измерений. Все гипотезы, численные условия, решения и график составлены для этого практикума.

Связанные темы и источники

Потренируйтесь отделять наблюдение от объяснения и оценивать точность результатов в практикуме таблиц и графиков. Расчёты по сгоранию и составу разобраны в статье «Как определить формулу вещества».

Повторите ионные уравнения, растворимость, углеводы и пептиды и белки.

Для проверки фактов: Cambridge International: данные качественного анализа; Truman State University: реакции распознавания и помехи.

Условия фосфатной пробы: NIHS, Japanese Pharmacopoeia XVIII, раздел Phosphate (Orthophosphate). Табличные наблюдения проверены по учебным справочным данным; восемь задач и их закрытые наборы составлены для этого сайта.

Выбрать другой маршрут курса