Решение типовых заданий из ЕГЭ по химии на составление окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это такие химические реакции, в которых происходит передача электронов от одних частиц (атомов, молекул, ионов) к другим, в результате чего степень окисления атомов, входящих в состав этих частиц, изменяется.

Наличие атомов, у которых в ходе реакции изменяется степень окисления -характерный признак ОВР.

Степень окисления (СО) – формальный заряд, который можно приписать атому, входящему в состав какой-либо частицы (молекулы, иона), исходя из предположения о чисто ионном характере связи в данной частице (частица состоит из ионизированных атомов).

Окислитель (Ox) – частица, которая в ходе ОВР приобретает электроны. Восстановитель (Red) – частица, которая в ходе ОВР отдаёт электроны [1].

Окисление – это процесс отдачи электронов восстановителем. При этом степень окисления восстановителя возрастает.

Восстановление - это процесс принятия электронов окислителем. При этом степень окисления окислителя падает.

Элементы в высшей степени окисления проявляют только окислительные свойства, элементы в низшей степени окисления – только восстановительные свойства. Элементы в промежуточной степени окисления могут выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя, то есть обладают  окислительно-восстановительной двойственностью. Степень окисления атомов в простых веществах равна 0 [2].

В заданиях важно не только составить ОВР, но и правильно расставить коэффициенты в химическом уравнении. Для этого используется метод электронного баланса. Рассмотрим алгоритм метода и решений задач такого рода на примере заданий из ЕГЭ по химии.

Пример 1:

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: сероводород, бром, нитрат бария, сульфат аммония, соляная кислота концентрированная, перманганат калия. Допустимо использование водных растворов веществ.

Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми окислительно-восстановительная реакция протекает с изменением окраски раствора и выделением газа. Выпадение осадка в ходе реакции не наблюдается. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель [3]. Решение:

• 1)    Записываем формулы веществ из данного перечня: H 2 S(сероводород),   Br 2 (бром),   Ba(NO 3 ) 2    (нитрат бария),

(NH 4 ) 2 SO 4 (сульфат  аммония), HCl (соляная кислота),  KMnO 4

(перманганат калия).

• 2)    Расставляем степени окисления над каждым атомом в записанных соединениях: H⁺¹ 2 S^-2, Br⁰ 2 , Ba⁺²(N⁺⁵O^-2 3 ) 2 , (N^-3H⁺¹ 4 ) 2 S⁺⁶O^-2 4 , H⁺¹Cl^-1, _K+1_Mn+7_O-2 _{4 .}

• 3)    Для этого пункта необходимо вспомнить все возможные степени окисления многих элементов и какие свойства они проявляют при её изменении. Задания с наличием перманганата калия очень часто встречаются, поэтому настоятельно рекомендую изучить изменение его свойств. В KMnO₄ марганец имеет максимальную степень окисления Mn⁺⁷, значит, это вещество может выступать в роли окислителя и принять электроны. В соляной кислоте хлор находится в наименьшей СО – Cl^-1, поэтому он способен отдать электроны.

• 4)    Из выбранных соединений составляем химическое уравнение:

KMnO₄ + HCl = MnCl₂ + Cl₂ + KCl + H₂O (воду пишем в правую часть уравнения, так как в ней не хватает атомов водорода). Расставляем СО элементов, изменившиеся в процессе реакции: KMn⁺⁷O 4 + HCl^-1 = Mn⁺²Cl 2 + Cl⁰ 2 + KCl + H 2 O

Бывает, что в заданиях из предложенного списка веществ можно написать несколько ОВР, но не забываем, что нам даны ещё условия протекания реакции: «реакция протекает с изменением окраски раствора и выделением газа». Составленное уравнение удовлетворяет требованиям: перманганат калия (раствором с фиолетовой окраской) в кислой среде переходит в соединение марганца со СО +2 (бесцветный раствор), а у хлора повышается степень окисления, и он переходит в Cl02(жёлто-зелёный газ).

• 5)    Составляем электронные уравнения, которые отражают процессы восстановления окислителя и окисления восстановителя. На основании правила электронного баланса вводим дополнительные множители для окислителя и восстановителя. Эти множители подбираются по правилу нахождения наименьшего общего кратного (НОК):

Mn+7 + 5e = Mn+2 | 5 | 10 | 2 окислитель / восстановление

2 Cl-1 –2*1e = Cl02 | 2 |10 | 5 восстановитель / окисление

Перед хлором ставится коэффициент 2, так как образуются две молекулы хлора (Cl 2 ) .

• 6)    Расставляем найденные коэффициенты в основное уравнение перед соответствующими веществами:

2KMnO 4 + HCl = 2MnCl 2 +5Cl 2 + KCl + H 2 O

Уравниваем все остальные части уравнения и получаем реакцию: 2KMnO 4 +16HCl = 2MnCl 2 +5Cl 2 + 2KCl + 8H 2 O

• 7)    В бланки ответов записываем решение, состоящее из готовой записи реакции и электронных уравнений:

2 KMnO 4 +16 HCl = 2MnCl 2 +5Cl 2 + 2 KCl + 8 H 2 O

Mn+7 + 5e = Mn+2 | 2 окислитель / восстановление

2 Cl^-1 –2*1e = Cl⁰ 2 | 5 восстановитель / окисление

Пример 2:

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: сероводород, хлорат калия, гидроксид натрия, сульфат алюминия, оксид хрома(III), оксид магния. Допустимо использование водных растворов веществ.

Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми протекает гетерогенная окислительно-восстановительная реакция с изменением окраски раствора. Выделение газа и выпадение нового осадка в ходе реакции не наблюдаются. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительновосстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель [3].

Решение:

• 1)    Записываем формулы веществ из данного перечня: H 2 S(сероводород),

KClO 3 (хлорат калия), NaOH (гидроксид натрия), Al 2 (SO 4 ) 3 (сульфат алюминия),Cr 2 O 3 (оксид хрома(III)), MgO (оксид магния).

• 2)    Расставляем степени окисления над каждым атомом в записанных соединениях: H⁺¹ 2 S^-2, K⁺¹Cl⁺⁵O^-2 3 , Na⁺¹O^-2H⁺¹, Al⁺³ 2 (S⁺⁶O^-2 4 ) 3 , Cr ⁺³ 2 O^-2 3 , Mg⁺²O^-2.

• 3)    В списке присутствует соединение хрома в СО +3 (имеет зелёный цвет). Следует запомнить, что Cr⁺³ в щелочной среде переходит в такие соли хрома, как хроматы (Cr⁺⁶O₄)^-2, они «любят» эту среду и их растворы имеют жёлтый цвет. В перечне есть гидроксид натрия, который будет являться показателем среды. Восстановитель найден. Есть ещё одна закономерность: хлораты в ОВР, при наличии сильного восстановителя, чаще всего переходят в хлориды.

• 4)    Исходя из предыдущего пункта, составляем уравнение реакции: Cr 2 O 3 + KClO 3 + NaOH = Na 2 CrO 4 + KCl + H 2 O (воду прибавляем к правой части, так как в ней нет атомов водорода). Расставляем СО элементов, изменившиеся в процессе реакции:

Cr⁺³ 2 O 3 + KCl⁺⁵O 3 + NaOH = Na 2 Cr⁺⁶O 4 + KCl ^-1+ H 2 O

Данное уравнение удовлетворяет условиям задания.

• 5)    Составляем электронные уравнения, которые отражают процессы восстановления окислителя и окисления восстановителя. На основании правила электронного баланса вводим дополнительные множители для окислителя и восстановителя:

2Cr+3 – 2*3e = 2Cr+6 | 6 | 6 | 1 восстановитель / окисление

Cl+5 + 6e = Cl-1     | 6 | 6 | 1 окислитель / восстановление

Пояснение: в электронном уравнении окисления восстановителя перед хромом ставится коэффициент 2, так как в реакции участвует два атома хрома (Cr 2 O 3 ).

• 6)    Расставляем найденные коэффициенты в основное уравнение перед соответствующими веществами и уравниваем остальные части: Cr 2 O 3 + KClO 3 + 4NaOH = 2Na 2 CrO 4 + KCl +2H 2 O

• 7)    Записываем ответ:

Cr 2 O 3 + KClO 3 + 4NaOH = 2Na 2 CrO 4 + KCl +2H 2 O

2Cr+3 – 2*3e = 2Cr+6 | 1 восстановитель / окисление

Cl+5 + 6e = Cl-1    | 1 окислитель / восстановление

Пример 3:

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: сульфат железа(II), серная кислота, пероксид водорода, карбонат натрия, хлорид магния. Допустимо использование водных растворов веществ.

Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми окислительно-восстановительная реакция протекает с изменением окраски раствора. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель [3].

Решение:

• 1)    Записываем формулы веществ из данного перечня: FeSO 4 (сульфат железа(II)), H 2 SO 4 (серная кислота), H 2 O 2 (пероксид водорода), Na 2 CO 3 (карбонат натрия), MgCl 2 (хлорид магния).

• 2)    Расставляем степени окисления над каждым атомом в записанных соединениях: Fe⁺²S⁺⁶O^-2 4 , H⁺¹ 2 S⁺⁶O^-2 4 , H⁺¹ 2 O^-1 2 , Na⁺¹ 2 C⁺⁴O^-2 4 , Mg⁺²O^-2.

• 3)    В перечне имеется соединение железа со степенью окисления +2 (имеет зеленоватый цвет), она является промежуточной для этого элемента, а значит он может либо понизить СО, либо повысить. В большинстве случаев железо повышает и переходит в соединения с Fe⁺³(растворы бурого, жёлтого цвета). Один реагент найден. Для кислорода привычной СО является -2. Пероксиды- исключения, в них степень окисления кислорода -1, значит, H 2 O 2 подходит на роль окислителя.

• 4)    Составляем уравнение реакции (1) и расставляем СО элементов, изменившиеся в процессе реакции (2):

FeSO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O        (1)

Fe⁺²SO 4 + H 2 O^-1 2 + H 2 SO 4 = Fe⁺³ 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O^-2   (2)

Серная кислота в левой части химического уравнения необходима для показания среды (кислая среда).

Данное уравнение удовлетворяет условиям задания

• 5)    Составляем электронные уравнения, которые отражают процессы восстановления окислителя и окисления восстановителя. На основании правила электронного баланса вводим дополнительные множители для окислителя и восстановителя:

2Fe+2 -2*1e = 2Fe+3| 2 | 2 | 1 восстановитель / окисление

2O-1 +2*1e = 2O-2 | 2 | 2 | 1 окислитель / восстановление

Пояснение: в электронном уравнении окисления восстановителя перед железом ставится коэффициент 2, так как в реакции образуется два атома этого элемента(Fe 2 (SO 4 ) 3 ). В электронном уравнении восстановления окислителя перед кислородом ставится коэффициент 2, так как в реакции участвует два атома этого элемента(H ₂ O₂).

• 6)    Расставляем найденные коэффициенты в основное уравнение перед соответствующими веществами и уравниваем остальные части: 2FeSO 4 + H 2 O 2 +H 2 SO 4 = Fe 2 (SO4) 3 +2H 2 O

• 7)    Записываем ответ:

2FeSO 4 + H 2 O 2 +H 2 SO 4 = Fe 2 (SO4) 3 +2H 2 O

2Fe+2 -2*1e = 2Fe+3 | 1 восстановитель / окисление

2O-1 +2*1e = 2O-2 | 1 окислитель / восстановление

Таким образом, расписывая и анализируя предложенные вещества, можно составить окислительно-восстановительные реакции. При условии правильности распределения перехода электронов, метод электронного баланса очень прост и удобен при расставлении коэффициентов, что часто вызывает трудности. Умение правильно записать ОВР или определить компоненты и то, что реакция относится именно к этому типу, является обязательной частью материала, необходимого для изучения химии.