№29. ОВР: электронный баланс и оформление развёрнутого ответа
Задание №29 — окислительно-восстановительная реакция с развёрнутым ответом: из перечня веществ нужно выбрать подходящую по условию пару, записать уравнение, составить электронный баланс и назвать окислитель и восстановитель. Работа стоит 2 балла, и один из них теряют чаще всего из-за неполного оформления, а не из-за неверной химии.
Как устроено задание. Дан перечень веществ, например KMnO4, HCl, AgNO3, KCl и вода, и указан признак реакции: изменение окраски раствора, выделение газа, выпадение осадка. Нужно выбрать два вещества, которые реагируют именно так, записать уравнение окислительно-восстановительной реакции, составить электронный баланс и указать, какое вещество окислитель, а какое восстановитель. Эксперт проверяет три элемента: верно выбранные вещества и уравнение, верный баланс, названные роли.
Начинай со степеней окисления. У простых веществ она равна нулю, у водорода почти всегда +1, у кислорода −2, у щелочных металлов +1, у щёлочноземельных +2. В кислотах и солях степень окисления элемента кислотного остатка находят из правила: сумма всех степеней окисления с учётом индексов равна заряду частицы. Так, в KMnO4 у марганца +7 — это высшая степень, значит вещество может быть только окислителем. В HCl у хлора −1 — низшая степень, хлор может только отдавать электроны и быть восстановителем. Такая пара сразу даёт окислительно-восстановительную реакцию.
2KMnO4 + 16HCl → 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O + 2KCl (газ, без осадка)
2 Mn(+7) + 5e → Mn(+2) · 5 2Cl(−1) − 2e → Cl2(0)
Признак из условия — это подсказка о продуктах. Изменение окраски раствора означает, что окислитель восстанавливается и меняет цвет: перманганат фиолетовый, а его продукт в кислой среде почти бесцветный. Выделение газа без осадка указывает на окисление бескислородного аниона: хлорид даёт хлор, сульфид даёт серу или сероводород. Выпадение осадка без газа подсказывает продукт восстановления перманганата в нейтральной среде — бурый MnO2. Среда определяет, до чего дойдёт окислитель, поэтому её всегда указывают в записи: кислота, вода или щёлочь.
| Признак в условии | Что это значит | На что смотреть |
|---|---|---|
| Изменение окраски раствора | окислитель восстанавливается и меняет цвет | перманганат, дихромат, соли железа (III) |
| Выделение газа | окисляется бескислородный анион или разлагается неустойчивое соединение | хлорид, сульфид, нитрит, аммиак |
| Выпадение осадка без газа | продукт восстановления выпадает или образуется нерастворимая соль | MnO2 (бурый), сера, AgCl (белый) |
| Среда кислая (есть H2SO4 или HCl) | окислитель доходит до низшей степени окисления | KMnO4 даёт Mn(+2), K2Cr2O7 даёт Cr(+3) |
| Среда нейтральная (вода) | окислитель восстанавливается частично | KMnO4 даёт MnO2 |
| Среда щелочная (есть KOH или NaOH) | окислитель восстанавливается до промежуточной степени | KMnO4 даёт манганат K2MnO4 |
| Окислитель и среда | Продукт восстановления | Внешний признак |
|---|---|---|
| KMnO4 в кислой среде | Mn(+2), соль MnSO4 или MnCl2 | фиолетовый раствор обесцвечивается |
| KMnO4 в нейтральной среде | MnO2 | бурый осадок |
| KMnO4 в щелочной среде | K2MnO4, марганец +6 | раствор становится зелёным |
| K2Cr2O7 в кислой среде | Cr(+3), соль хрома (III) | оранжевый становится зелёным |
| HNO3 разбавленная | NO | бесцветный газ |
| HNO3 концентрированная | NO2 | бурый газ |
| H2SO4 концентрированная | SO2 | газ с резким запахом |
- Шаг 1. Выпиши все вещества перечня и расставь степени окисления у элементов, которые могут меняться: марганец, хлор, сера, азот, металлы.
- Шаг 2. Найди элемент в высшей степени окисления — это будущий окислитель, и элемент, который может её повышать, — это восстановитель.
- Шаг 3. Проверь пару по признаку из условия: изменение окраски, выделение газа без осадка, выпадение осадка без газа.
- Шаг 4. Определи среду реакции и продукт восстановления окислителя: в кислой среде перманганат даёт Mn(+2), в нейтральной MnO2, в щелочной манганат.
- Шаг 5. Запиши уравнение реакции в молекулярном виде, добавив воду или щёлочь, если этого требует баланс по водороду и кислороду, и расставь коэффициенты.
- Шаг 6. Составь электронный баланс: отдельными строками полуреакции окисления и восстановления с числом электронов, приведи их к наименьшему общему кратному и перенеси множители в уравнение.
- Шаг 7. Отдельной строкой назови окислитель и восстановитель и проверь себя: сколько электронов отдано, столько должно быть и принято.
Как проверяют эксперты. Критерий на 2 балла требует двух элементов: верно записанное уравнение окислительно-восстановительной реакции и электронный баланс с указанием окислителя и восстановителя. Если уравнение верное, а роли веществ не названы, ставят 1 балл. Поэтому последняя строка ответа должна быть отдельным предложением: окислитель такой-то, восстановитель такой-то. Степени окисления в балансе удобно писать в скобках, как Mn(+7) или S(+6), а число электронов — рядом со стрелкой. Если в перечне есть вещества, дающие осадок или газ без изменения степеней окисления (AgNO3 с HCl), их отбрасывают: задание требует именно окислительно-восстановительную реакцию.
Типичные ошибки. 1) Называют окислителем водород кислоты: в реакции перманганата с HCl электроны отдаёт хлор со степенью окисления −1, а не водород. 2) Записывают баланс без коэффициентов или не приводят число электронов к наименьшему общему кратному. 3) Забывают, что часть восстановителя уходит на соль: из 16 молекул HCl только 10 дают хлор, а 6 образуют MnCl2 и KCl. 4) Не учитывают среду и получают неверный продукт: MnO2 там, где нужен Mn(+2), или наоборот. 5) Не дописывают воду и щёлочь, из-за чего не сходится баланс по водороду и кислороду. 6) Пишут роли окислителя и восстановителя внутри уравнения или вовсе пропускают их — балл снижают даже при верных коэффициентах.
Проверь себя
- Почему перманганат калия может быть только окислителем, а сульфит натрия в этой же реакции — только восстановителем?
- Как по признаку «выделение газа без осадка» понять, какие вещества из перечня нужно взять?
- До чего восстанавливается перманганат калия в кислой, нейтральной и щелочной среде и как это отражается на записи уравнения?
- Почему из 16 молекул HCl в реакции с перманганатом только 10 участвуют в окислении хлора?
- Как оформить ответ, чтобы эксперт поставил 2 балла, и что теряется, если не назвать отдельной строкой окислитель и восстановитель?
Показательные решения
- В перечне есть KMnO4, HCl, AgNO3, KCl и другие вещества, а условие говорит: реакция идёт с изменением окраски раствора и выделением газа, осадка при этом не образуется. Нужно выбрать пару, записать уравнение, составить электронный баланс и назвать роли веществ.
- Расставляем степени окисления. В KMnO4 марганец имеет степень окисления +7 — это высшая степень, значит вещество может только принимать электроны, то есть быть окислителем. В HCl хлор имеет степень окисления −1 — низшую, он может только отдавать электроны.
- Проверяем по признакам: фиолетовый раствор перманганата обесцвечивается, потому что марганец восстанавливается до Mn(+2), а выделяющийся газ — это хлор, который образуется при окислении хлорид-иона. Осадок не появляется, значит пара выбрана верно, а AgNO3 с хлороводородом дали бы белый осадок и не подходят.
- Записываем уравнение в молекулярном виде: 2KMnO4 + 16HCl = 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O + 2KCl. Проверяем атомы: калия 2, марганца 2, хлора 16, водорода 16, кислорода 8 — всё сходится.
- Составляем электронный баланс. Марганец принимает пять электронов: Mn(+7) + 5e → Mn(+2), множитель 2. Хлор отдаёт электроны: 2Cl(−1) − 2e → Cl2(0), множитель 5. Наименьшее общее кратное 10, поэтому перед марганцем стоит 2, а перед хлором 5.
- Отдельной строкой называем роли: хлор в степени окисления −1 является восстановителем, марганец в степени окисления +7 — окислителем. Часть HCl расходуется на образование солей, поэтому кислоты в уравнении 16 молекул, а хлора получается только 5.
- Ответ: уравнение 2KMnO4 + 16HCl = 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O + 2KCl, электронный баланс 2 Mn(+7) + 5e → Mn(+2) и 5 2Cl(−1) − 2e → Cl2(0), окислитель — марганец (+7), восстановитель — хлор (−1).
Ответ: Запишем уравнение реакции: 2KMnO₄ + 16HCl = 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O + 2KCl. Составим электронный баланс: 2 Mn⁷⁺ + 5 e → Mn²⁺ 5 2Cl¹⁻ − 2 e → Cl⁰ ₂ Хлор в степени окисления −1 является восстановителем. Марганец в степени окисления +7 — окислителем.
Официальное решение из банка ФИПИ
Запишем уравнение реакции: 2KMnO₄ + 16HCl = 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O + 2KCl. Составим электронный баланс: 2 Mn⁷⁺ + 5 e → Mn²⁺ 5 2Cl¹⁻ − 2 e → Cl⁰ ₂ Хлор в степени окисления −1 является восстановителем. Марганец в степени окисления +7 — окислителем.
- Даны фосфор, HClO3, соли бария и сульфаты, а условие требует окислительно-восстановительную реакцию без обмена с осадком. Нужно выбрать подходящие вещества, записать уравнение, баланс и роли.
- Отбрасываем «ловушки»: соль бария с сульфатом и соль с кислотой дали бы осадок или газ без изменения степеней окисления, а задание требует именно окислительно-восстановительную реакцию.
- Остаётся пара «простое вещество и кислородсодержащая кислота»: фосфор P(0) может только повышать степень окисления, значит он восстановитель, а хлор в HClO3 имеет степень окисления +5 и может только понижать её, значит кислота — окислитель.
- Определяем продукты: фосфор в присутствии воды и окислителя доходит до фосфорной кислоты H3PO4 со степенью окисления +5, а хлор восстанавливается до хлорид-иона Cl(−1). Водород и кислород уходят в воду и кислоты.
- Записываем уравнение: 6P + 5HClO3 + 9H2O = 6H3PO4 + 5HCl. Проверяем: фосфора 6, хлора 5, водорода 5·1 + 9·2 = 23 слева и 6·3 + 5 = 23 справа, кислорода 5·3 + 9 = 24 слева и 6·4 = 24 справа.
- Составляем электронный баланс: фосфор отдаёт по 5 электронов (P(0) − 5e → P(+5), множитель 6), хлор принимает по 6 электронов (Cl(+5) + 6e → Cl(−1), множитель 5). Отданных электронов 30 и принятых 30.
- Называем роли отдельной строкой: фосфор в степени окисления 0 — восстановитель, хлор в степени окисления +5 — окислитель. Ответ: уравнение 6P + 5HClO3 + 9H2O = 6H3PO4 + 5HCl, баланс 6 P(0) − 5e → P(+5) и 5 Cl(+5) + 6e → Cl(−1), окислитель — хлор (+5), восстановитель — фосфор (0).
Ответ: Запишем уравнение реакции: 6P + 5HClO₃ + 9H₂O = 6H₃PO₄ + 5HCl. Составим электронный баланс: 6 P⁰ − 5 e → P⁵⁺ 5 Cl⁵⁺ + 6 e → Cl¹⁻ Фосфор в степени окисления 0 является восстановителем. Хлор в степени окисления +5 — окислителем.
Официальное решение из банка ФИПИ
Запишем уравнение реакции: 6P + 5HClO₃ + 9H₂O = 6H₃PO₄ + 5HCl. Составим электронный баланс: 6 P⁰ − 5 e → P⁵⁺ 5 Cl⁵⁺ + 6 e → Cl¹⁻ Фосфор в степени окисления 0 является восстановителем. Хлор в степени окисления +5 — окислителем.
- В перечне есть сульфит натрия, перманганат калия, гидроксид калия и другие вещества. Условие говорит: окраска раствора меняется, осадка нет. Нужно выбрать вещества и оформить полный ответ.
- Расставляем степени окисления: в Na2SO3 сера имеет степень окисления +4 — промежуточную, она может повышаться до +6, значит сульфит восстановитель. В KMnO4 марганец +7 — высшая степень, значит перманганат окислитель.
- Выбираем среду. В нейтральном растворе перманганат дал бы бурый осадок MnO2, а осадок запрещён условием. Значит берём щёлочь из перечня — гидроксид калия, и в щелочной среде марганец восстанавливается только до +6, давая зелёный манганат.
- Записываем уравнение: Na2SO3 + 2KMnO4 + 2KOH = Na2SO4 + 2K2MnO4 + H2O. Проверяем: натрия 2, серы 1, марганца 2, калия 2 + 2 = 4, водорода 2 слева и 2 справа, кислорода 3 + 8 + 2 = 13 слева и 4 + 8 + 1 = 13 справа.
- Составляем электронный баланс: марганец принимает по одному электрону (Mn(+7) + e → Mn(+6), множитель 2), сера отдаёт два электрона (S(+4) − 2e → S(+6), множитель 1). Отданных и принятых электронов по два.
- Отдельной строкой называем роли: сера в степени окисления +4 (или сульфит натрия за счёт серы +4) — восстановитель, марганец в степени окисления +7 (или перманганат калия за счёт марганца +7) — окислитель.
- Ответ: уравнение Na2SO3 + 2KMnO4 + 2KOH = Na2SO4 + 2K2MnO4 + H2O, баланс 2 Mn(+7) + e → Mn(+6) и 1 S(+4) − 2e → S(+6), окислитель — перманганат калия, восстановитель — сульфит натрия.
Ответ: Запишем уравнение реакции: Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 2KOH = Na₂SO₄ + 2K₂MnO₄ + H₂O. Составим электронный баланс: 2 | Mn⁷⁺ + e → Mn⁶⁺ 1 | S +⁴⁻ 2e → S +⁶ Сера в степени окисления +4 (или сульфит натрия за счет серы в степени окисления +4) является восстановителем. Марганец в степени окисления +7 (или перманганат калия за счет марганца в степени окисления +7) — окислителем.
Официальное решение из банка ФИПИ
Запишем уравнение реакции: Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 2KOH = Na₂SO₄ + 2K₂MnO₄ + H₂O. Составим электронный баланс: 2 | Mn⁷⁺ + e → Mn⁶⁺ 1 | S +⁴⁻ 2e → S +⁶ Сера в степени окисления +4 (или сульфит натрия за счет серы в степени окисления +4) является восстановителем. Марганец в степени окисления +7 (или перманганат калия за счет марганца в степени окисления +7) — окислителем.