№19. Окислительно-восстановительные реакции: окислитель и восстановитель
Задание №19 проверяет умение видеть в реакции окислитель и восстановитель, сравнивать степени окисления до и после реакции и различать окислительно-восстановительные реакции от обменных. Терять балл здесь обидно: достаточно один раз разобраться со степенями окисления и запомнить таблицу продуктов восстановления марганца и хрома в разных средах.
Окислительно-восстановительные реакции, или сокращённо ОВР, — это реакции, в которых атомы меняют свои степени окисления. Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, который считают так, будто все связи в веществе ионные. Если степени окисления ни у одного элемента не изменились, реакция не относится к ОВР: например, NaOH + HCl → NaCl + H2O — обычная обменная реакция. Задание №19 построено именно на этом различии.
В любой ОВР есть двое главных участников. Окислитель принимает электроны и понижает свою степень окисления — он сам при этом восстанавливается. Восстановитель отдаёт электроны и повышает свою степень окисления — он сам окисляется. Запомни направление: окислитель «забирает» электроны и опускается вниз по степеням окисления, восстановитель «отдаёт» и поднимается вверх. Приставка «вос-» в слове восстановитель означает, что он помогает восстановиться другому, а сам окисляется.
2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O
В этом уравнении марганец понижает степень окисления с +7 до +2 и работает окислителем, а сера в сульфите натрия повышает её с +4 до +6 и работает восстановителем. Обрати внимание: в ответе всегда указывают формулу целого вещества, а не отдельный атом. Например, в реакции 2FeO + C → 2Fe + CO2 восстановителем будет углерод C, потому что именно его степень окисления выросла с 0 до +4, а железо, наоборот, понизило её с +2 до 0.
- У простого вещества степень окисления равна нулю: S, O2, N2, Cl2, Fe.
- У одноатомного иона степень окисления равна заряду иона: Cu^2+ это +2, Cl^− это −1, S^2− это −2.
- Щелочные металлы всегда +1, щёлочноземельные +2, алюминий +3, фтор всегда −1.
- Кислород обычно −2, но в пероксидах H2O2 и Na2O2 он −1, а в OF2 он +2.
- Водород обычно +1, но в гидридах активных металлов (NaH, CaH2) он −1.
- Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю, а в сложном ионе — заряду иона: в SO4^2− сумма всех степеней равна −2.
Отдельная группа — сильные окислители, которые встречаются почти в каждом варианте. Это перманганат калия KMnO4, дихромат калия K2Cr2O7, азотная кислота в двух концентрациях, концентрированная серная кислота, галогены, кислород и пероксид водорода. У каждого свой привычный продукт восстановления, и в задании его часто нужно просто узнать.
| Среда раствора | Как меняется степень окисления марганца | Продукт восстановления | Видимый признак |
|---|---|---|---|
| Кислая (подкисленный раствор) | Mn(+7) → Mn(+2) | соль марганца (II), например MnSO4 | фиолетовый раствор обесцвечивается |
| Нейтральная (вода) | Mn(+7) → Mn(+4) | MnO2 | выпадает бурый осадок |
| Щелочная (щелочь в избытке) | Mn(+7) → Mn(+6) | манганат, например K2MnO4 | раствор становится зелёным |
MnO4^− + 8H^+ + 5e → Mn^2+ + 4H2O (кислая среда, обесцвечивание)
MnO4^− + 2H2O + 3e → MnO2 + 4OH^− (нейтральная среда, бурый осадок)
| Окислитель | Продукт восстановления | Пример реакции |
|---|---|---|
| KMnO4 в кислой среде | Mn(+2), бесцветный раствор | 2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O |
| K2Cr2O7 в кислой среде | Cr(+3), зелёный раствор соли хрома (III) | K2Cr2O7 + 3H2S + 4H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3S + K2SO4 + 7H2O |
| HNO3 концентрированная | NO2, бурый газ | Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O |
| HNO3 разбавленная | NO, бесцветный газ | 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O |
| H2SO4 концентрированная | SO2, газ с резким запахом | Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O |
| Галогены Cl2, Br2, I2 | галогенид-ион Hal^− | Cl2 + 2KI → 2KCl + I2 |
| H2O2 как окислитель | H2O | H2O2 + 2KI + H2SO4 → I2 + K2SO4 + 2H2O |
| O2 | оксид или вода, кислород −2 | 2Cu + O2 → 2CuO |
Типичные восстановители — это металлы, водород H2, углерод и оксид углерода (II), сероводород H2S и сульфиды, оксид серы (IV) SO2 и сульфиты, аммиак NH3, иодид калия KI, соединения железа (II) и низшие степени окисления неметаллов. Полезно запомнить и «двуличные» вещества: H2O2, Cl2, S, NO2, HNO2 могут быть и окислителями, и восстановителями, потому что элемент в них находится в промежуточной степени окисления. Классический пример — реакция Cl2 + 2KOH → KCl + KClO + H2O: хлор одновременно и окислитель (0 → −1), и восстановитель (0 → +1). Такие реакции называют реакциями диспропорционирования, и в перечне ответов одно и то же вещество может подойти сразу к двум позициям.
- Шаг 1. Расставь степени окисления всех атомов в левой и правой частях: начинай с простых веществ и металлов, водород и кислород считай последними.
- Шаг 2. Сравни степени окисления до и после реакции и отметь атомы, которые их изменили. Если изменений нет, это обменная реакция и в ОВР она не подходит.
- Шаг 3. Определи, кто повысил степень окисления (восстановитель), а кто понизил (окислитель). В ответ выписывай формулу вещества целиком.
- Шаг 4. Обязательно учти среду: в кислой среде марганец идёт до Mn(+2), в нейтральной до MnO2, в щелочной до Mn(+6).
- Шаг 5. Учти концентрацию сильной кислоты: азотная концентрированная даёт NO2, разбавленная — NO, серная концентрированная — SO2.
- Шаг 6. Запиши цифры строго под буквами А, Б, В, Г и проверь каждую пару отдельно: повторы номеров в перечне допустимы.
Типичные ошибки. 1) Путают термины и считают, что окислитель сам окисляется. Всё наоборот: окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. 2) В ответе указывают отдельный атом вместо формулы вещества: в реакции 2FeO + C → 2Fe + CO2 восстановитель — углерод C, а не железо и не оксид железа (II). 3) Не учитывают среду и пишут MnO2 там, где раствор подкислен, хотя в кислой среде получается соль марганца (II) и раствор обесцвечивается. 4) Считают, что в H2O2 кислород имеет степень окисления −2: на самом деле здесь −1, поэтому пероксид водорода может быть и окислителем, и восстановителем. 5) Принимают обменную реакцию за ОВР: в FeS + 2HCl → H2S + FeCl2 ни одна степень окисления не меняется. 6) Забывают про концентрацию кислоты и ставят NO2 для разбавленной азотной кислоты, хотя она восстанавливается только до NO.
Проверь себя
- Почему восстановитель в ходе реакции обязательно повышает свою степень окисления?
- Какой продукт получается при восстановлении KMnO4 в нейтральном растворе и как это заметить по внешнему виду?
- Почему в реакции Cl2 + 2KOH → KCl + KClO + H2O одно и то же вещество называют и окислителем, и восстановителем?
- Что изменится в продуктах, если медь реагирует с разбавленной азотной кислотой вместо концентрированной?
- Может ли реакция ионного обмена быть окислительно-восстановительной и почему?
Показательные решения
- В задании даны четыре уравнения реакций, и для каждого нужно выбрать формулу вещества, которое играет роль восстановителя.
- Восстановитель — это вещество, атомы которого отдают электроны, значит их степень окисления в ходе реакции повышается. Искать нужно тот элемент, степень окисления которого выросла.
- Уравнение А: I2 + 5F2 → 2IF5. Йод был в простом веществе со степенью окисления 0, а в IF5 стал +5. Степень окисления повысилась, значит восстановитель — I2, это вариант 3.
- Уравнение Б: 2FeO + C → 2Fe + CO2. Углерод был 0, стал +4, а железо, наоборот, понизило степень окисления с +2 до 0. Восстановитель — C, вариант 6.
- Уравнение В: SO2 + I2 + 2H2O → H2SO4 + 2HI. Сера повысила степень окисления с +4 до +6, а йод понизил с 0 до −1. Восстановитель — SO2, вариант 5.
- Уравнение Г: FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O. Железо повысило степень окисления с +2 до +3, азот понизил с +5 до +4. Восстановитель — FeO, вариант 1.
- Записываем цифры по порядку букв: А — 3, Б — 6, В — 5, Г — 1. Ответ: 3651.
Ответ: 3651
Официальное решение из банка ФИПИ
Восстановитель — это вещество, в состав которого входят атомы, отдающие электроны в результате химической реакции, следовательно, повышающие свою степень окисления. Определяем степень окисления каждого элемента и определяем, в каком соединении элемент повышает свою степень окисления. А) Повышает йод (I₂ — был 0, стал +5). Б) Повышает углерод (С — был 0, стал +4). В) Повышает сера в оксиде серы (IV) (была +4, стала +6). Г) Повышает железо в оксиде железа (II) (была +2, стала +3). Ответ: 3651.
- Даны четыре схемы реакций и перечень веществ; для каждой схемы нужно указать вещество-восстановитель.
- А) Cl2 + KOH → KCl + KClO + H2O. Хлор был 0, в KCl стал −1, а в KClO стал +1. Он одновременно понижает и повышает степень окисления, то есть работает и окислителем, и восстановителем, — это вариант 2.
- Б) H2O2 + Ag2O → H2O + Ag + O2. У кислорода в пероксиде степень окисления −1, в O2 он стал 0, значит пероксид окисляется и работает восстановителем; серебро при этом восстанавливается с +1 до 0. Вариант 3.
- В) H2O2 + Cl2 → HCl + O2. Здесь хлор понижает степень окисления с 0 до −1 и работает окислителем, а пероксид снова отдаёт электроны: кислород идёт от −1 к 0. Восстановитель — H2O2, вариант 3.
- Г) Cl2 + NO → NOCl. Хлор понижает степень окисления с 0 до −1, а азот повышает с +2 до +3, значит восстановитель — NO, вариант 5.
- Собираем ответ по буквам: А — 2, Б — 3, В — 3, Г — 5. Один и тот же номер здесь используется дважды, и это нормально: перечень не требует уникальности. Ответ: 2335.
Ответ: 2335
Официальное решение из банка ФИПИ
Определить степень окисления элементов, сравнить степени окисления элементов в правой и левой частях уравнения и найти восстановитель. Восстановитель отдает электроны, поэтому степень окисления у него повышается. А) Сl₂: степень окисления была 0, стала −1 и +1, Сl₂ — окислитель и восстановитель. Б) H₂O₂: степень окисления у кислорода была −1, стала 0. В) H₂O₂: степень окисления у кислорода была −1, стала 0. Г) NO: степень окисления у азота была +2, стала +3. Ответ: 2335.
- Условие обратное привычному: дано, как меняется степень окисления серы, и нужно выбрать пару веществ, в реакции которых это изменение происходит.
- А) S(0) → S(+4). Нужен переход из простого вещества в оксид серы (IV): S + O2 → SO2. Подходит вариант 3, где даны сера и кислород.
- Б) S(+4) → S(+6). Здесь серу окисляют дальше, до степени +6: SO2 + Cl2 → SO2Cl2. Подходит вариант 5.
- В) S(−2) → S(0). Из сероводорода сера переходит в простое вещество под действием более слабого окислителя: H2S + I2 → S + 2HI. Подходит вариант 2.
- Г) S(+6) → S(+4). Серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV), что типично для концентрированной кислоты и малоактивного металла: Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O. Подходит вариант 1.
- Пары 4 и 6 отсеиваются сразу: FeS + HCl и K2SO3 + H2SO4 — обменные реакции, в них степени окисления не меняются.
- Собираем ответ: А — 3, Б — 5, В — 2, Г — 1, то есть 3521. Ответ: 3521.
Ответ: 3521
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. 1. Сu + H₂SO₄ (конц.) → 20.5 cm SO₂ + CuSO₄ + H₂O — степень окисления меняется: S⁶⁺ → S⁴⁺. 2. H₂S + I₂ → 20.5 cm 2HI + S — меняется: S²⁻ → S⁰. 3. S + O₂ → 20.5 cm SO₂ — меняется: S⁰ → S⁴⁺. 4. FeS + 2HCl → 20.5 cm H₂S + FeCl₂ — не изменяется. 5. SO₂ + Cl₂ → 20.5 cm SO₂Cl₂ — меняется: S⁴⁺ → S⁶⁺. 6. K₂SO₃ + H₂SO₄ → 20.5 cm SO₂ + K₂SO₄ + H₂O — не изменяется. Ответ: 3521.