Окислительно-восстановительные реакции регулярно встречаются в контрольных измерительных материалах. В первой части ЕГЭ этому посвящено задание 19, где нужно определить изменение степени окисления или функцию элемента, а во второй части — задание 29, требующее самостоятельного написания уравнения и метода электронного баланса. Разберём алгоритм решения, чтобы тебе удалось избежать типичных ошибок и уверенно набирать баллы за эти номера.
Теоретическая база
Любая реакция протекает с изменением зарядов атомов или без него.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это процессы, в ходе которых атомы химических элементов меняют свою степень окисления из-за перераспределения электронов.
Чтобы безошибочно решать задачи, нужно различать четыре главных термина:
- Окислитель — атом или частица, которая принимает электроны. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, при их присоединении математическая степень окисления атома понижается.
- Восстановитель — атом или частица, которая отдаёт свои электроны. Теряя отрицательные заряды, атом математически повышает свою степень окисления.
- Процесс восстановления — действие присоединения электронов окислителем.
- Процесс окисления — действие отдачи электронов восстановителем.
Окислитель всегда восстанавливается, а восстановитель всегда окисляется.
Метод электронного баланса: пошаговый алгоритм
Суть метода электронного баланса сводится к закону сохранения заряда: количество электронов, которые отдал восстановитель, строго равно количеству электронов, которые принял окислитель.
Разберём алгоритм на примере конкретной химической реакции:
$KMnO_4 + Na_2SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Na_2SO_4 + K_2SO_4 + H_2O$
Шаг 1. Расстановка степеней окисления
Нужно найти элементы, которые до и после стрелки имеют разные заряды. В этом примере марганец меняет заряд с +7 на +2, а сера в составе сульфита — с +4 на +6.
Шаг 2. Запись полуреакций
Выписываем атомы с их зарядами и указываем переход электронов:
$Mn^{+7} + 5e^{-} \rightarrow Mn^{+2} \\ S^{+4} -2e^{-} \rightarrow S^{+6}$
Марганец принимает пять электронов (степень окисления понижается), а сера отдаёт два электрона (степень окисления повышается).
Шаг 3. Поиск баланса электронов
Наименьшее общее кратное для чисел 5 и 2 равно 10. Чтобы отданные электроны совпали с принятыми, первую строчку умножаем на 2, а вторую — на 5.
$Mn^{+7} + 5e^{-} \rightarrow Mn^{+2} ~|2 \\ S^{+4} -2e^{-} \rightarrow S^{+6}~~~~~~~~|5$
Шаг 4. Перенос коэффициентов в уравнение
Множители из баланса становятся коэффициентами в химическом уравнении. Двойка ставится перед соединениями марганца. Пятёрка ставится перед соединениями серы, которая меняла заряд (сульфитами и сульфатами натрия).
$2KMnO_4 + 5Na_2SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Na_2SO_4 + K_2SO_4 + H_2O$
Шаг 5. Проверка и уравнивание металлов, неметаллов и водорода
Сначала уравниваем калий (по два атома слева и справа). Затем считаем всю серу справа: 2 атома в сульфате марганца, 5 атомов в сульфате натрия и 1 атом в сульфате калия. В сумме — 8 атомов серы. Слева уже есть 5 атомов серы в сульфите натрия, значит, перед серной кислотой нужно поставить коэффициент 3.
В конце уравниваем водород (коэффициент 3 перед водой) и проводим финальную проверку по количеству кислорода (по 35 атомов слева и справа).
$2KMnO_4 + 5Na_2SO_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Na_2SO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$
Правила оформления электронного баланса для задания 29 ЕГЭ
Чтобы получить максимальный балл, недостаточно составить химическое уравнение. Нужно правильно оформить электронный баланс на чистовике.
Требования проверяющих комиссий включают несколько обязательных пунктов:
- Указание знаков перехода электронов. Между химическими элементами разрешается ставить стрелочку ($\rightarrow$) или знак равенства ($=$).
- Наличие домножающих коэффициентов. Они пишутся справа или слева от полуреакций за вертикальной чертой.
- Описание ролей веществ. Нужно словами написать, кто является окислителем, а кто — восстановителем. Разрешается указывать роль для отдельного иона или для всего сложного вещества (например, $KMnO_4$ за счёт марганца +7 является окислителем).
- Указание степеней окисления. Правильная запись степени окисления: сначала знак ($+$ или $-$), затем число (например, $Mn^{+7}$ вместо $Mn^{7+}$). В электронном балансе допускается запись заряда, но это работает только для частиц, которые существуют в растворе (например, допустимо писать $Cu^{2+}$). Мы рекомендуем писать в балансе только степени окисления, чтобы не допустить ошибок в оформлении.
Пример оформления ответа на экзаменационном бланке:
$Mn^{+7} + 5e^{-} \rightarrow Mn^{+2} \mid 2 \\ S^{+4} -2e^{-} \rightarrow S^{+6} \mid 5$
$KMnO_4 (Mn^{+7})$— окислитель
$Na_2SO_3 (S^{+4})$ — восстановитель
Разбор типичных экзаменационных заданий
Пример № 1. Задание 19
Установите соответствие между уравнением реакции и веществом-окислителем в этой реакции.
А) $4NH_3 + 6NO = 5N_2 + 6H_2O$
Б) $N_2H_4 + H_2 = 2NH_3$
В) $2NH_3 + 3CuO = 3Cu + N_2 + 3H_2O$
Г) $N_2H_4 + 2N_2O = 3N_2 + 2H_2O$Варианты ответов: $1.\ NO;\, 2.\ H_2;\, 3.\ NH_3;\, 4.\ CuO;\, 5.\ N_2O$
Согласно правилу метода электронного баланса, ищем атом, который понижает степень окисления:
- Для реакции А: оксид азота содержит азот(+2), который понижается до нуля в молекуле $N_2$. Следовательно, $NO$ выступает окислителем.
- Для реакции Б: водород(0) переходит в водород(−1) в составе аммиака. В гидразине водород имеет заряд +1. Простое вещество $H_2$ понижает заряд, принимая электроны, значит, $H_2$ — окислитель.
- Для реакции В: медь из +2 становится 0. Оксид меди $CuO$ выполняет функцию окислителя.
- Для реакции Г: азот в оксиде азота(I) имеет заряд +1, а переходит в чистый азот с зарядом 0. Степень окисления понижается, $N_2O$ является окислителем.
Ответ: 1245.
Пример № 2. Задание 19
Установите соответствие между схемой реакции и свойством элемента серы, которое она проявляет в этой реакции.
А) $S + H_2 \rightarrow H_2S$
Б) $ZnS + O_2 \rightarrow ZnO + SO_2$
В) $SO_2 + K_2SO_3 + H_2O \rightarrow KHSO_3$
Г) $Cu + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + H_2O$Варианты ответа: 1. только окислитель, 2. только восстановитель, 3. и окислитель, и восстановитель, 4. не проявляет окислительно-восстановительных свойств.
Отслеживаем изменения зарядов серы:
- Для реакции А: чистая сера(0) переходит в сероводород(−2). Сера принимает электроны, заряд уменьшается. Она восстанавливается и проявляет свойства окислителя.
- Для реакции Б: сера(−2) из сульфида переходит в серу(+4) в составе оксида. Заряд повышается из-за отдачи электронов. Сера окисляется и выступает восстановителем.
- Для реакции В: сера в молекуле $SO_2$, сульфите калия и гидросульфите калия имеет стабильный заряд +4. Степень окисления не меняется. Элемент не проявляет окислительно-восстановительных свойств.
- Для реакции Г: сера в серной кислоте (+6) переходит в сернистый газ (+4). Она принимает электроны, восстанавливается и является окислителем.
Ответ: 1241.
Пример № 3. Задание 19
Установите соответствие между уравнением реакции и формулой вещества, играющего роль восстановителя.
А) $Cl_2 + H_2S = 2HCl + S$
Б) $2FeO + C = 2Fe + CO_2$
В) $SO_2 + I_2 + 2H_2O = H_2SO_4 + 2HI$Варианты ответов: $1.\ Cl_2;\, 2.\ FeO;\, 3.\ H_2S;\, 4.\ C;\, 5.\ SO_2;\, 6.\ I_2$
Находим частицу, повышающую степень окисления:
- Для реакции А: сера из сероводорода (−2) поднимается до нуля. Сероводород $H_2S$ работает восстановителем.
- Для реакции Б: углерод из 0 повышается до +4. Простое вещество $C$ работает восстановителем.
- Для реакции В: сера из диоксида (+4) повышается до +6 в составе серной кислоты. Диоксид серы $SO_2$ выступает восстановителем.
Ответ: 345.
Типичные ошибки
При составлении полуреакций часто допускают несколько характерных ошибок.
Удваивание атомов в балансе с помощью индексов
Если в молекуле есть два атома, которые меняют степени окисления в результате реакции, то в баланс нельзя переносить двойку в виде индекса. Нужно её записать в виде коэффициента либо не писать вовсе.
Неправильно: $O_2^{-1} + 2e^{-} \rightarrow 2O^{-2}$
Правильно: $2O^{-1} + 2e^{-} \rightarrow 2O^{-2}$
Правильно: $O^{-1} + e^{-} \rightarrow O^{-2}$
Простые вещества, состоящие из двухатомных молекул ($H_2,\, O_2,\, Cl_2,\, Br_2$), в методе электронного баланса допустимо писать с двойкой в виде индекса.
Правильно: $Cl^0 + 1e^{-} \rightarrow Cl^{-1}$
Правильно: $Cl_2^0 + 2e^{-} \rightarrow 2Cl^{-1}$
Ошибки в математических знаках
Возникает путаница между плюсом и минусом при подсчёте переходов электронов. Помни: электрон содержит отрицательный заряд.
Неправильно: $S^{-2} + 8e^{-} \rightarrow S^{+6}$
Правильно: $S^{-2} -8e^{-} \rightarrow S^{+6}$ (происходит алгебраическое вычитание восьми отрицательных зарядов).
Перепутанные роли веществ
Иногда заряды считаются верно, но в задании 29 слово «окислитель» пишется рядом с тем элементом, который окисляется. Работает строгое правило: атом, который отдаёт электроны и окисляется, работает восстановителем.
Обобщающая схема процессов
Следующая таблица позволяет систематизировать логику реакций и соотнести все базовые термины.
| Заряд атома | Действие с электроном | Роль вещества | Название процесса |
|---|---|---|---|
| Повышается (от −2 до 0) | Отдаёт электроны ($-e^{-}$) | Восстановитель | Процесс окисления |
| Понижается (от +5 до +2) | Принимает электроны ($+e^{-}$) | Окислитель | Процесс восстановления |
Заключение
После изучения этого материала можно уверенно решать задачи по теме ОВР. Теперь ты умеешь:
- определять степень окисления элементов,
- находить окислитель и восстановитель по схеме химического уравнения,
- применять метод электронного баланса.
Эти навыки нужны для работы с заданиями 19 и 29. Чтобы закрепить успех, тренируйся на типовых задачах ЕГЭ актуального формата и самостоятельно составляй полуреакции. Найти эти задачи можно в нашем банке задач.
