Водород, кислород и пероксид водорода в заданиях ЕГЭ по химии

Соединения водорода и кислорода встречаются практически в каждом варианте ЕГЭ по химии. Ошибки в этой теме обычно возникают из-за непонимания двойственной природы пероксида водорода и путаницы в продуктах горения щелочных металлов. Разберём химические свойства этих веществ, выделим типичные ловушки и сформируем чёткий алгоритм поиска правильных ответов.

В каких заданиях встречается тема

Знание свойств водорода и кислорода потребуется для правильного выполнения следующих заданий:

Задания 6 и 7: выбор реагентов (проверяется понимание кислотно-основных и окислительных свойств).
Задания 8 и 9: установление продуктов реакции и решение цепочки превращений.
Задание 29: окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Пероксид водорода — частый гость таких заданий из-за своей способности менять роль в зависимости от среды.
Задание 31: мысленный эксперимент, где требуется написать четыре уравнения неорганических превращений.

Водород и кислород в таблице Менделеева

Чтобы понимать химические свойства и поведение веществ в реакциях, нужно опираться на строение атомов.

Водород ( $H$ ) находится в первом периоде. Он имеет один электрон на s-орбитали: электронная конфигурация $1 s^{1}$ .[i]

Кислород ( $O$ ) располагается во втором периоде, в шестнадцатой группе (VIА). Электронная конфигурация внешнего уровня: $2 s^{2} 2 p^{4}$ . До завершения октета не хватает двух электронов. У кислорода отсутствуют d-орбитали, поэтому он не может распаривать электроны и проявлять высшую степень окисления +6.[i]

При нормальных условиях оба простых вещества — газы без цвета и запаха, плохо растворимые в воде. Кислород поддерживает горение и дыхание, а водород — самый лёгкий газом.[i]

Обобщим типичные степени окисления этих элементов.

Элемент	Степень окисления	Примеры соединений	Характер свойств
Водород	−1	$N a H, C a H_{2}, A l H_{3}$	Сильный восстановитель
	0	$H_{2}$	Восстановитель, редко окислитель
	+1	$H_{2} O, H C l, N a O H$	Слабый окислитель
Кислород	−2	$H_{2} O, C a O, H_{2} S O_{4}$	Слабый восстановитель
	−1	$H_{2} O_{2}, N a_{2} O_{2}$	Окислитель и восстановитель
	0	$O_{2}, O_{3}$	Сильный окислитель
	+1	$O_{2} F_{2}$	Окислитель (редкое соединение)
	+2	$O F_{2}$	Окислитель (редкое соединение)

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Химические свойства простого вещества: водород

При нормальных условиях молекула $H_{2}$ малоактивна из-за прочной ковалентной неполярной связи. При нагревании вещество вступает во множество реакций.

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород выступает в роли окислителя, образуя твёрдые солеобразные гидриды. Реакция требует нагревания.

2 N a + H_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 2 N a H

C a + H_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} C a H_{2}

Взаимодействие с неметаллами

В этих реакциях водород проявляет восстановительные свойства. С галогенами образуются галогеноводороды. С фтором реакция идёт со взрывом в темноте, с хлором — на свету.[i]

H_{2} + F_{2} \to 2 H F

H_{2} + C l_{2} \overset{h ν}{\to} 2 H C l

H_{2} + B r_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 2 H B r

Смесь водорода и кислорода в соотношении 2:1 образует гремучий газ, реакция идёт со взрывом.[i]

С азотом требуются жёсткие условия, а с серой — нагревание.

2 H_{2} + O_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 2 H_{2} O N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2 N H_{3} (условия: t^{\circ}, p, катализатор F e) H_{2} + S \overset{t^{\circ}}{\to} H_{2} S C + 2 H_{2} \overset{t^{\circ}, p, N i}{\to} C H_{4}

Кремний и фосфор напрямую с водородом не реагируют, их водородные соединения получаются косвенными путями.[i]

Восстановление металлов из их оксидов

Метод пирометаллургии. Водород вытесняет металлы средней активности и малоактивные металлы из их оксидов.[i]

C u O + H_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} C u + H_{2} O

F e_{3} O_{4} + 4 H_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 3 F e + 4 H_{2} O

Взаимодействие с угарным газом

Смесь $C O$ и $H_{2}$ даёт синтез-газ, который служит сырьём для органического синтеза.[i]

C O + 2 H_{2} \overset{t^{\circ}, p, Z n O / C r_{2} O_{3}}{\to} C H_{3} O H

(получение метанола)

Реакции гидрирования в органической химии

Водород обладает способностью присоединяться по кратным связям к органическим молекулам.[i]

C H_{2} = C H_{2} + H_{2} \overset{N i, t^{\circ}}{\to} C H_{3} - C H_{3}

C H_{3} - C \equiv C H + 2 H_{2} \overset{N i, t^{\circ}}{\to} C H_{3} - C H_{2} - C H_{3}

C H_{3} - C H O + H_{2} \overset{N i, t^{\circ}}{\to} C H_{3} - C H_{2} - O H

Способы получения водорода

В лаборатории водород получают вытеснением из неокисляющих кислот цинком, а также реакцией амфотерных металлов со щелочами. В промышленности используют конверсию метана.

Z n + 2 H C l \to Z n C l_{2} + H_{2} ↑

2 A l + 2 N a O H + 6 H_{2} O \to 2 N a [A l (O H)_{4}] + 3 H_{2} ↑

C H_{4} + H_{2} O \overset{N i, t^{\circ}}{\to} C O + 3 H_{2}

2 H_{2} O \overset{электролиз}{\to} 2 H_{2} ↑ + O_{2} ↑

Химические свойства простого вещества: кислород

Кислород — сильный окислитель. Почти все реакции с кислородом сопровождаются выделением большого количества теплоты — это экзотермические реакции горения.[i]

Взаимодействие с металлами

Практически все металлы, кроме благородных ( $A u, P t, A g$ ), реагируют с кислородом.[i]

2 M g + O_{2} \to 2 M g O

4 A l + 3 O_{2} \to 2 A l_{2} O_{3}

3 F e + 2 O_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} F e_{3} O_{4}

(железную окалину также записывают как $F e O \cdot F e_{2} O_{3}$ )

4 L i + O_{2} \to 2 L i_{2} O

2 N a + O_{2} \to N a_{2} O_{2}

K + O_{2} \to K O_{2}

Взаимодействие с неметаллами

Кислород реагирует с углеродом, серой, фосфором. С азотом реакция эндотермическая и протекает только при электрическом дуговом разряде. С галогенами кислород напрямую не реагирует.[i]

C + O_{2} \to C O_{2}

S + O_{2} \to S O_{2}

(обрати внимание: образуется оксид серы(IV), а не серы(VI))

4 P + 5 O_{2} \to 2 P_{2} O_{5}

N_{2} + O_{2} \overset{2000^{\circ} C}{\to} 2 N O

Окисление бинарных соединений (обжиг)

Оксиды элементов в низшей степени окисления, аммиак и нерастворимые сульфиды легко горят.[i]

2 C O + O_{2} \to 2 C O_{2} 2 S O_{2} + O_{2} ⇄ 2 S O_{3} (условия: V_{2} O_{5}, t^{\circ}, p) 4 N H_{3} + 5 O_{2} \overset{P t, t^{\circ}}{\to} 4 N O + 6 H_{2} O (каталитическое окисление) 4 N H_{3} + 3 O_{2} \to 2 N_{2} + 6 H_{2} O (горение без катализатора) 2 Z n S + 3 O_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 2 Z n O + 2 S O_{2}

Горение органических веществ

Такие вещества полностью сгорают с образованием углекислого газа и воды, если не указан недостаток кислорода.

C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O

C_{2} H_{5} O H + 3 O_{2} \to 2 C O_{2} + 3 H_{2} O

Способы получения кислорода

Удобные лабораторные способы включают термическое разложение сложных кислородсодержащих солей и пероксида водорода.

2 K M n O_{4} \overset{t^{\circ}}{\to} K_{2} M n O_{4} + M n O_{2} + O_{2} ↑ 2 K C l O_{3} \overset{M n O_{2}, t^{\circ}}{\to} 2 K C l + 3 O_{2} ↑ (бертолетова соль) 2 H_{2} O_{2} \overset{M n O_{2}}{\to} 2 H_{2} O + O_{2} ↑

Химические свойства воды

Вода — амфотерный оксид. Она способна отщеплять $H^{+}$ , действуя как кислота, и принимать его. Это жидкость с аномальными физическими свойствами, которые обусловлены водородными связями между молекулами.[i]

Взаимодействие с металлами

Активные металлы реагируют при комнатной температуре, выделяя водород и образуя щёлочь. Металлы средней активности вступают в реакцию с перегретым водяным паром, образуя оксид и водород.[i]

2 N a + 2 H_{2} O \to 2 N a O H + H_{2} ↑

C a + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + H_{2} ↑

Z n + H_{2} O \overset{t^{\circ}}{\to} Z n O + H_{2} ↑

3 F e + 4 H_{2} O \overset{t^{\circ}}{\to} F e_{3} O_{4} + 4 H_{2} ↑

Взаимодействие с неметаллами

Фтор вытесняет кислород из молекулы. Хлор подвергается диспропорционированию. Углерод и кремний вступают в реакцию при жёстких температурных режимах.

2 F_{2} + 2 H_{2} O \to 4 H F + O_{2} ↑

C l_{2} + H_{2} O ⇄ H C l + H C l O

C + H_{2} O \overset{t^{\circ}}{\to} C O + H_{2}

S i + 2 H_{2} O \overset{t^{\circ}}{\to} S i O_{2} + 2 H_{2}

Взаимодействие с оксидами

Основные оксиды активных металлов реагируют с образованием щелочей, кислотные оксиды образуют кислоты. Исключение — $S i O_{2}$ , с водой он не взаимодействует.[i]

B a O + H_{2} O \to B a (O H)_{2}

P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{t^{\circ}}{\to} 2 H_{3} P O_{4}

3 N O_{2} + H_{2} O \to 2 H N O_{3} + N O ↑ (реакция диспропорционирования)

Гидролиз бинарных соединений

Гидриды, карбиды, нитриды, фосфиды и силициды разлагаются водой без изменения степени окисления.[i]

C a H_{2} + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + 2 H_{2} ↑

A l_{4} C_{3} + 12 H_{2} O \to 4 A l (O H)_{3} + 3 C H_{4} ↑

C a_{3} P_{2} + 6 H_{2} O \to 3 C a (O H)_{2} + 2 P H_{3} ↑

Пероксид водорода и пероксиды металлов

Пространственное строение молекулы $H_{2} O_{2}$ напоминает полуоткрытую книгу. Связь $O - O$ крайне неустойчива, что делает пероксид крайне реакционноспособным соединением. Степень окисления кислорода (−1) позволяет ему выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя.[i]

Пероксид как типичный окислитель

Чаще всего $O^{- 1}$ принимает электроны. Степень окисления понижается до −2 с образованием молекулы воды в кислой среде или гидроксид-ионов в щелочной и нейтральной.[i]

H_{2} O_{2} + 2 K I + H_{2} S O_{4} \to I_{2} + K_{2} S O_{4} + 2 H_{2} O (кислая среда) 4 H_{2} O_{2} + P b S \to P b S O_{4} + 4 H_{2} O (окисление сульфидов) 3 H_{2} O_{2} + 2 C r (O H)_{3} + 4 K O H \to 2 K_{2} C r O_{4} + 8 H_{2} O (щелочная среда, хром переходит из +3 в +6, раствор желтеет) H_{2} O_{2} + 2 F e S O_{4} + H_{2} S O_{4} \to F e_{2} (S O_{4})_{3} + 2 H_{2} O

Пероксид как восстановитель

Это свойство проявляется исключительно при взаимодействии с более сильными окислителями: $A g_{2} O, K M n O_{4}, K_{2} C r_{2} O_{7}, C l_{2}$ . Кислород повышает степень окисления до 0 и выделяется в виде газа $O_{2}$ .

5 H_{2} O_{2} + 2 K M n O_{4} + 3 H_{2} S O_{4} \to 5 O_{2} ↑ + 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 8 H_{2} O

(марганцовка обесцвечивается)

H_{2} O_{2} + C l_{2} \to 2 H C l + O_{2} ↑

H_{2} O_{2} + A g_{2} O \to 2 A g + H_{2} O + O_{2} ↑

Разложение пероксида водорода

Пероксид водорода разлагается при нагревании и при использовании катализатора $M n O_{2}$ .[i]

2 H_{2} O_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} 2 H_{2} O + O_{2}

2 H_{2} O_{2} \overset{M n O_{2}}{\to} 2 H_{2} O + O_{2}

Свойства пероксидов металлов

Пероксид натрия $N a_{2} O_{2}$ реагирует с холодной водой с получением $H_{2} O_{2}$ . В горячей воде образуется кислород, так как выделившийся пероксид водорода сразу разлагается от температуры. Реакция пероксида с углекислым газом используется в изолирующих противогазах и дыхательных смесях.

N a_{2} O_{2} + 2 H_{2} O (холодная) \to 2 N a O H + H_{2} O_{2}

2 N a_{2} O_{2} + 2 H_{2} O (горячая) \to 4 N a O H + O_{2} ↑

2 N a_{2} O_{2} + 2 C O_{2} \to 2 N a_{2} C O_{3} + O_{2} ↑

Обобщающая таблица свойств воды и пероксида водорода

Характеристика	Вода ( $H_{2} O$ )	Пероксид водорода ( $H_{2} O_{2}$ )
Степень окисления кислорода	Устойчивая низшая (−2)	Неустойчивая промежуточная (−1)
ОВР-потенциал	Слабый восстановитель и окислитель	Мощный окислитель и восстановитель
Поведение при нагреве	Разлагается крайне трудно (при температуре больше 2000 °C)	Разлагается легко при внесении катализатора ( $M n O_{2}$ ) и при нагревании

Типичные ошибки на ЕГЭ

Разберём частые ошибки, которые допускаются на экзамене.

Писать продуктом горения железа оксид $F e_{2} O_{3}$ . На экзамене часто по привычке доводят металл до стабильной степени окисления. Железо в кислороде горит с образованием железной окалины. Правильно записывать продукт как $F e_{3} O_{4}$ .
Игнорировать температуру при гидролизе пероксида натрия. Если в условии дана горячая или просто «вода» без уточнений, $H_{2} O_{2}$ разваливается на ходу. В продуктах пишем $O_{2}$ и $N a O H$ . Использовать в продуктах $H_{2} O_{2}$ можно только в том случае, если в задаче строго указана охлаждённая вода.
Считать, что медь вытесняет водород из воды. Медь располагается в ряду напряжений металлов после водорода, поэтому с водой она не реагирует.

Решение заданий

Задание 1

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: перманганат калия, пероксид водорода, серная кислота, хлорид натрия, карбонат кальция. Из предложенного перечня выберите вещества, между которыми протекает окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся выделением бесцветного газа, поддерживающего горение. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.[i]

Определяем потенциальный газ, поддерживающий горение. В рамках школьной химии это почти всегда кислород $O_{2}$ .
Пероксид водорода в роли восстановителя даст в продуктах кислород.
Ищем сильный окислитель для отбора электронов. Подходит $K M n O_{4}$ .
В качестве среды раствора берём серную кислоту.

Уравнение реакции:

$2 K M n O_{4} + 5 H_{2} O_{2} + 3 H_{2} S O_{4} \to 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 5 O_{2} ↑ + 8 H_{2} O$

Электронный баланс:

$M n^{+ 7} + 5 e^{-} \to M n^{+ 2}$ (множитель 2)

$2 O^{- 1} - 2 e^{-} \to O_{2}^{0}$ (множитель 5)

$H_{2} O_{2}$ за счёт кислорода в степени окисления -1 выступает восстановителем.

$K M n O_{4}$ за счёт марганца в степени окисления +7 является окислителем.

Задание 2

Кусочек натрия сожгли в избытке кислорода. Полученное вещество жёлтого цвета поместили в фарфоровую чашку и пропустили над ним избыток углекислого газа. К образовавшемуся твёрдому веществу прилили избыток соляной кислоты. Выделившийся газ пропустили через раствор силиката калия. Напишите четыре уравнения описанных реакций.[i]

Натрий при горении образует пероксид. Образовавшийся жёлтый порошок — это $N a_{2} O_{2}$ .
$2 N a + O_{2} \overset{t^{\circ}}{\to} N a_{2} O_{2}$
Пропускание углекислого газа — классическая реакция, применяемая в замкнутых системах для регенерации воздуха.
$2 N a_{2} O_{2} + 2 C O_{2} \to 2 N a_{2} C O_{3} + O_{2} ↑$
Реакция обмена с соляной кислотой. Выделяется слабая угольная кислота, которая сразу разлагается.
$N a_{2} C O_{3} + 2 H C l \to 2 N a C l + H_{2} O + C O_{2} ↑$
Пропускание $C O_{2}$ через силикат калия. Угольная кислота в растворе сильнее кремниевой, поэтому спокойно вытесняет её в осадок.
$K_{2} S i O_{3} + C O_{2} + H_{2} O \to K_{2} C O_{3} + H_{2} S i O_{3} ↓$

Заключение

Теперь ты умеешь прогнозировать продукты химических реакций с участием кислорода и водорода. Ты знаешь, как ведёт себя пероксид водорода в разных средах, и больше не будешь ошибаться с образованием оксидов щелочных металлов при горении. Эти знания позволят тебе уверенно анализировать уравнения и забирать баллы в номерах первой и второй части экзамена. Чтобы закрепить тему, порешай задания в «100балльном банке» — там собраны типовые задачи разного уровня сложности.

В каких заданиях встречается тема

Водород и кислород в таблице Менделеева

Химические свойства простого вещества: водород

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Взаимодействие с неметаллами

Восстановление металлов из их оксидов

Взаимодействие с угарным газом

Реакции гидрирования в органической химии

Способы получения водорода

Химические свойства простого вещества: кислород

Взаимодействие с металлами

Взаимодействие с неметаллами

Окисление бинарных соединений (обжиг)

Горение органических веществ

Способы получения кислорода

Химические свойства воды

Взаимодействие с металлами

Взаимодействие с неметаллами

Взаимодействие с оксидами

Гидролиз бинарных соединений

Пероксид водорода и пероксиды металлов

Пероксид как типичный окислитель

Пероксид как восстановитель

Разложение пероксида водорода

Свойства пероксидов металлов

Обобщающая таблица свойств воды и пероксида водорода

Типичные ошибки на ЕГЭ

Решение заданий

Задание 1

Задание 2

Заключение

Железо и его соединения: свойства, реакции и разбор заданий ЕГЭ по химии

Медь, серебро и их соединения в заданиях ЕГЭ по химии

Галогены и их соединения в ЕГЭ по химии: подробный разбор с примерами заданий

Азот и соединения азота: химические свойства и задания ЕГЭ по химии

Фосфор и его соединения для ЕГЭ по химии

Циклоалканы и алкадиены: химические свойства, получение и пошаговый алгоритм решения заданий ЕГЭ

В каких заданиях встречается тема

Водород и кислород в таблице Менделеева

Химические свойства простого вещества: водород

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Взаимодействие с неметаллами

Восстановление металлов из их оксидов

Взаимодействие с угарным газом

Реакции гидрирования в органической химии

Способы получения водорода

Химические свойства простого вещества: кислород

Взаимодействие с металлами

Взаимодействие с неметаллами

Окисление бинарных соединений (обжиг)

Горение органических веществ

Способы получения кислорода

Химические свойства воды

Взаимодействие с металлами

Взаимодействие с неметаллами

Взаимодействие с оксидами

Гидролиз бинарных соединений

Пероксид водорода и пероксиды металлов

Пероксид как типичный окислитель

Пероксид как восстановитель

Разложение пероксида водорода

Свойства пероксидов металлов

Обобщающая таблица свойств воды и пероксида водорода

Типичные ошибки на ЕГЭ

Решение заданий

Задание 1

Задание 2

Заключение

Похожие статьи

Железо и его соединения: свойства, реакции и разбор заданий ЕГЭ по химии

Медь, серебро и их соединения в заданиях ЕГЭ по химии

Галогены и их соединения в ЕГЭ по химии: подробный разбор с примерами заданий

Азот и соединения азота: химические свойства и задания ЕГЭ по химии

Фосфор и его соединения для ЕГЭ по химии

Циклоалканы и алкадиены: химические свойства, получение и пошаговый алгоритм решения заданий ЕГЭ

С нами ты получишь высокие баллы на ЕГЭ и ОГЭ

Мы знаем, как забрать максимум на экзамене

Сложно готовиться самостоятельно? Мы поможем!

Химфак с Катей Строгановой | ЕГЭ-2027

Сложно готовиться самостоятельно?
Мы поможем!