Окислительно-восстановительные реакции в ЕГЭ по химии

Задание на окислительно-восстановительную реакцию делится пополам: сначала надо понять, что получится, потом записать баланс и уравнение. Вторую половину можно натренировать за вечер, а первая требует знания того, как окислитель ведёт себя в данной среде, и именно на ней уходят баллы. Ученик, который знает, что перманганат калия в кислой среде превращается в ион марганца(II), справляется с половиной условия до того, как возьмёт ручку.

Вся тема держится на законе сохранения заряда: сколько электронов отдал восстановитель, столько же принял окислитель. Физики знают этот закон из раздела об электричестве, химия просто записывает его в виде баланса. Формул из других разделов физики, в том числе из астрофизики, для этого не требуется.

Подготовку к этому заданию принято начинать с уравнивания, и это, по-моему, ошибка порядка. Уравнивать умеет почти любой ученик, который дошёл до одиннадцатого класса, а вот предсказывать продукты по среде и по набору веществ умеют единицы, и тренироваться стоит именно на этом: берёте левую часть уравнения из сборника, закрываете правую и пишете её по памяти, коэффициенты оставляя напоследок. За месяц такой работы набирается собственный список из десятка типичных пар «окислитель, среда», и после него сама запись баланса занимает минуты. Состав и баллы задания сверяйте по демоверсии 2027 года, здесь они не названы намеренно.

Степени окисления: исключения, о которых забывают

Автоматизм подводит там, где правило «кислород −2, водород +1» нарушается. Расставлять степени окисления нужно до того, как вы запишете первое уравнение, потому что от этой расстановки зависит, какой из элементов вообще меняется.

• в пероксидах (H2O2, Na2O2) кислород имеет степень окисления −1
• в гидридах металлов (NaH, CaH2) водород имеет степень окисления −1
• в пирите FeS2 железо +2, а сера −1
• в железной окалине Fe3O4 железо находится сразу в двух степенях, +2 и +3
• в органических веществах степень окисления определяют для каждого атома углерода отдельно: в этаноле у группы CH3 она −3, у группы CH2OH −1

В органике проще всего следить за тем атомом углерода, который меняется. В этаноле группа CH2OH даёт углероду −1, в уксусном альдегиде он имеет степень окисления +1, в уксусной кислоте +3: каждый шаг от спирта к кислоте означает отдачу двух электронов, и по этому счёту видно, сколько окислителя уйдёт на реакцию. Метильная группа во всех трёх веществах остаётся −3 и в балансе не участвует.

Для сложного иона степень окисления центрального атома находят по заряду: в MnO4− кислород даёт −8, заряд иона −1, значит, марганец +7. Это решается в уме, но в нервной обстановке экзамена ошибки случаются именно здесь, на самом простом.

Марганец: одна соль, несколько продуктов

Перманганат калия — один из самых известных окислителей школьного курса, и продукт восстановления у него зависит от среды. В кислой среде получается ион марганца(II), раствор обесцвечивается. В нейтральной выпадает бурый диоксид марганца. В сильнощелочной образуется зелёный манганат калия.

• 2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O
• 2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH
• 2KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = 2K2MnO4 + Na2SO4 + H2O
• 2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O

Четвёртая строка добавлена потому, что пероксид водорода в этих задачах выступает в двух ролях, и с перманганатом он восстановитель. О второй роли сказано в последнем вопросе. Пока же заметьте закономерность: в нейтральной реакции среду создаёт вода, и в правой части появляется щёлочь; в кислой реакции кислота идёт на образование соли марганца. Кислоту для перманганата выбирают тоже не случайно: соляная для подкисления не подходит, потому что сама окисляется (2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O), и в условии, где реакция идёт «в кислой среде», подразумевается серная. Хлор из соляной кислоты как побочный продукт сам может быть темой задания, и об этом лучше знать заранее.

Если в условии написано «подкисленный раствор», серная кислота в левой части обязательна, даже если в тексте она не названа реагентом.

Хром: хромат или катион

У хрома две частые ситуации. В кислой среде дихромат калия восстанавливается до катиона хрома(III), и раствор из оранжевого становится зелёным: K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O. В щелочной среде картина зеркальная: соединения хрома(III) окисляются до хромата, который жёлтый. Например, 2K3[Cr(OH)6] + 3Br2 + 4KOH = 2K2CrO4 + 6KBr + 8H2O.

Пара хромат и дихромат превращается друг в друга от кислотности раствора: кислота сдвигает равновесие к оранжевому дихромату, щёлочь возвращает жёлтый хромат. Это не окислительно-восстановительный переход, степень окисления хрома (+6) остаётся прежней, и именно на такой путанице легко проверить внимательность.

Третий вариант встречается реже и поэтому запоминается хуже: сплавление оксида хрома(III) с окислителем и щёлочью. Нитрат калия при этом восстанавливается до нитрита, а хром уходит в хромат: Cr2O3 + 3KNO3 + 4KOH = 2K2CrO4 + 3KNO2 + 2H2O. Условие «при сплавлении» и условие «в растворе» дают разные формы продуктов, как и в амфотерных реакциях, о которых шла речь в статье про неорганику. Если вы в условии видите зелёный оксид хрома и сильный окислитель, ожидайте жёлтый хромат на выходе.

Диспропорционирование и сопропорционирование

Эти слова пугают, а реакции простые. При диспропорционировании один элемент из одной степени окисления уходит в две: вверх и вниз. Хлор в щёлочи (разобран в статье про неорганику), диоксид азота в щёлочи (2NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O), манганат калия в воде (3K2MnO4 + 2H2O = 2KMnO4 + MnO2 + 4KOH). Последняя реакция в учебниках встречается редко, а в сложных заданиях она встречается, потому что в ней из зелёного раствора получается фиолетовый и бурый осадок одновременно.

Сопропорционирование идёт навстречу: два вещества с одним элементом в разных степенях окисления дают его промежуточную степень. Сероводород с сернистым газом (2H2S + SO2 = 3S + 2H2O) и бромид с броматом в кислоте (5KBr + KBrO3 + 3H2SO4 = 3Br2 + 3K2SO4 + 3H2O) — два самых известных случая. Ориентир для опознания простой: если в левой части один и тот же элемент встречается дважды, а в правой он один, перед вами сопропорционирование.

Электронный баланс: как записывать

Рассмотрим на реакции перманганата с сульфитом в кислой среде. Находим два элемента, меняющих степень окисления, и записываем полуреакции с числом электронов:

• Mn(+7) + 5e = Mn(+2), множитель 2, окислитель — KMnO4
• S(+4) − 2e = S(+6), множитель 5, восстановитель — Na2SO3

Наименьшее общее кратное для пяти и двух — десять, значит, на два атома марганца и пять атомов серы приходится по десять электронов. Эти множители и становятся первыми коэффициентами в уравнении. Если в формуле окислителя два атома одного элемента, как в дихромате, число электронов считают на формулу целиком: Cr(+6) × 2 + 6e = 2Cr(+3), и тогда восстановитель Fe(+2) − e = Fe(+3) берётся с множителем 6. Именно так получается коэффициент 6 перед сульфатом железа(II) в уравнении выше. Остальные коэффициенты подбираются по атомам металлов, кислотных остатков, водорода, а кислород проверяется последним: если баланс по кислороду сошёлся, уравнение почти наверняка составлено верно.

Окислителем и восстановителем называют вещество, а не атом: в ответе пишут KMnO4 и Na2SO3. Уточнение мелкое, но в критериях для него обычно есть отдельная позиция, и пропущенное слово «окислитель» может стоить балла при полностью верном уравнении. Точную формулировку сверьте по критериям 2027 года.

Органика в окислительно-восстановительных реакциях

Окислительно-восстановительные реакции органических веществ удобны тем, что на них можно проверить обе половины темы сразу. Этилен в нейтральном растворе перманганата превращается в этиленгликоль: 3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O = 3C2H4(OH)2 + 2MnO2 + 2KOH. Толуол в кислом растворе окисляется до бензойной кислоты, и метильная группа отдаёт шесть электронов: 5C6H5CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 = 5C6H5COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 14H2O. Степени окисления углерода при этом считаются для каждого атома отдельно, как в списке выше.

Альдегиды в таких заданиях выступают восстановителями: CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]OH = CH3COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O. Обратите внимание на продукт: в аммиачном растворе образуется соль аммония, а не свободная кислота, и именно здесь ученики чаще всего записывают «уксусную кислоту» по привычке. Спирты окисляются оксидом меди(II) при нагревании до альдегидов или кетонов, и тоже достаточно знать, у какого атома углерода меняется степень окисления.

Электролиз тоже окислительно-восстановительный процесс, только электроны принудительно гонит ток, а не сама реакция; он разобран отдельно в статье про электролиз в заданиях ЕГЭ по химии. Как всё это ложится на вторую часть работы, видно из обзора второй части ЕГЭ по физике и химии и разбора структуры ЕГЭ по химии.

Начать поиск:

• репетиторы по химии для подготовки к ЕГЭ
• все репетиторы для подготовки к ЕГЭ

Вопросы и ответы

Почему нельзя просто уравнять реакцию подбором, без баланса? Подбором можно, но критерии оценивания, насколько известно по прежним годам, требуют баланс отдельно, и формулировку нужно сверить по демоверсии 2027 года. Эксперт ищет в работе именно запись электронного баланса, а правильные коэффициенты без неё баллов могут не добавить. К тому же баланс служит проверкой: если при подборе вы получили коэффициенты, а по электронам они не сходятся, значит, продукты написаны неверно.

Как угадать продукт, если в условии написано только «окислитель» и «восстановитель»? По двум признакам: какая среда и какой элемент меняется. Среду выдают слова «подкисленный раствор», «в щелочной среде», отсутствие кислоты и щёлочи (тогда среда нейтральная). Элемент определяют по таблице степеней окисления: восстанавливается тот, у которого она высокая, окисляется тот, у которого низкая.

Нужно ли учить все реакции с перманганатом? Достаточно трёх продуктов восстановления марганца и умения подставить восстановитель. Реакции с сульфитом, сероводородом, пероксидом водорода и иодидом калия решаются по одной схеме, меняется только то, что окисляется. Отдельно стоит запомнить поведение с соляной кислотой, потому что там окисляется сам растворитель, и привычная схема с серной кислотой перестаёт работать. Остальные детали, которые не повторяются в разных реакциях, разумнее вписывать в карточки по мере решения.

Что делать, если в уравнении не сходится кислород? Скорее всего, вы забыли воду или кислоту. Составьте уравнение до баланса по всем элементам, кроме водорода и кислорода, потом добавьте воду, которая выравнивает водород, и проверьте кислород. Если он не сошёлся, ошибка в степенях окисления.

Отличается ли пероксид водорода от других окислителей? Да: он единственный, кто бывает и окислителем, и восстановителем, в зависимости от партнёра. Сильному окислителю (перманганату) он отдаёт электроны и выделяет кислород, а восстановителю (иодиду, сульфату железа(II)) сам служит окислителем и превращается в воду.