Задание 29: ОВР с развёрнутым ответом

В задании 29 дают перечень из пяти-шести веществ и требование к продукту. Перебирать все пары долго; работайте отбором по степеням окисления.

Шаг 1. Разметьте перечень. Пройдите по списку и для каждого вещества отметьте, кем оно может быть:

• • элемент в высшей степени окисления — только окислитель: HNO₃ (N⁺⁵), концентрированная H₂SO₄ (S⁺⁶), KMnO₄ (Mn⁺⁷), K₂Cr₂O₇ (Cr⁺⁶), KClO₃ (Cl⁺⁵);
• • элемент в низшей степени — только восстановитель: KI (I⁻), H₂S и сульфиды (S⁻²), HCl и хлориды (Cl⁻), NH₃ (N⁻³), металлы в степени 0;
• • элемент в промежуточной степени — и то и другое: SO₂ и сульфиты (S⁺⁴), NaNO₂ (N⁺³), соли Fe²⁺, H₂O₂ (O⁻¹);
• • «шум» — соли, где всё в устойчивых состояниях: NaCl, K₃PO₄, Na₂CO₃, BaCl₂.

Шаг 2. Посмотрите на требование к продукту. Оно резко сужает выбор.

• • «выделяется простое вещество» — значит, элемент из иона переходит в нулевую степень: из галогенида получается галоген (2KI + ... → I₂), из сульфида сера, из соли металла сам металл;
• • «выделяется газ» — NO₂, NO, SO₂, H₂S, Cl₂, N₂;
• • «образуется соль» — обе исходные частицы уходят в состав солей.

Шаг 3. Соберите пару «сильный окислитель + сильный восстановитель» и проверьте, что реакция реальна. Медь с разбавленной серной кислотой не реагирует, железо на холоде пассивируется концентрированной азотной — такие пары в ответ не годятся.

Шаг 4. Оформите ответ полностью. Критерии дают баллы отдельно: за электронный баланс и за уравнение с верными коэффициентами плюс названные окислитель и восстановитель. Поэтому баланс пишут всегда, даже если уравнение не удалось довести до конца: частичный ответ приносит балл, пустое место — нет.

Как называть роли. Не «HNO₃ — окислитель», а точнее: «окислитель — азот в степени окисления +5 в составе HNO₃». Эксперт ищет указание на элемент, меняющий степень окисления.

В задании 29 перечень веществ один и тот же для нескольких вариантов, а меняется требование к реакции: «сопровождается обесцвечиванием раствора», «с выпадением бурого осадка», «с образованием простого вещества», «с выделением газообразного кислотного оксида». Именно требование указывает, какую пару брать и в какой среде вести реакцию.

«Обесцвечивание раствора» — фиолетовый перманганат-ион перешёл в бесцветный Mn²⁺, а это бывает только в кислой среде. Значит, в перечне обязана быть кислота, и она играет роль среды.

«Выпадение бурого осадка» — марганец восстановился только до Mn⁺⁴, то есть до нерастворимого MnO₂. Так идёт реакция в нейтральной среде, где третьим участником выступает вода.

«Раствор стал зелёным» — либо манганат K₂MnO₄ (щелочная среда, марганец +6), либо соль хрома(III) при восстановлении дихромата.

«Оранжевый раствор стал зелёным» — дихромат-ион Cr₂O₇²⁻ превратился в Cr³⁺ в кислой среде.

«Образуется простое вещество» — из перечня выделяется галоген (I₂, Br₂), сера, азот или металл. Чаще всего это иодид-ион, окисленный до иода.

«Выделяется газ с резким запахом» — SO₂ (из сульфита кислотой или из концентрированной серной кислоты как продукт восстановления) либо NO₂ при концентрированной азотной кислоте.

Поэтому порядок работы такой: сначала прочитать требование, затем найти в перечне окислитель и восстановитель, и только потом решить, какое третье вещество задаёт среду. Третий участник — кислота, щёлочь или вода — в перечне всегда есть, и именно про него забывают.

Перебирать все пары из шести веществ — это пятнадцать вариантов, и времени на это нет. Разметка перечня занимает полминуты и сокращает перебор до одной-двух пар.

Пройдите по списку и задайте каждому веществу три вопроса.

Вопрос 1. Есть ли элемент в высшей степени окисления? Если да — вещество может быть только окислителем. Высшие степени узнаются по номеру группы: Mn⁺⁷ в перманганате, Cr⁺⁶ в хроматах и дихроматах, N⁺⁵ в азотной кислоте и нитратах, S⁺⁶ в концентрированной серной кислоте, Cl⁺⁷ в перхлоратах. Сюда же простые вещества-окислители: F₂, Cl₂, Br₂, O₂.

Вопрос 2. Есть ли элемент в низшей степени окисления? Если да — вещество может быть только восстановителем. Низшие степени: S²⁻ в сульфидах и сероводороде, I⁻, Br⁻, Cl⁻ в галогенидах, N³⁻ в аммиаке, Fe⁰ и любой другой металл в свободном виде.

Вопрос 3. Элемент в промежуточной степени? Тогда вещество двойственно, и его роль определится партнёром: S⁺⁴ в сульфитах и SO₂, N⁺³ в нитритах, Fe⁺² в солях железа(II), H₂O₂.

Остальные вещества перечня — соли и оксиды, где все элементы в устойчивых степенях и менять их не с чего, — это балласт, и ими можно сразу не заниматься. Обычно таких в списке половина, и именно они делают перечень пугающим на вид.

После разметки останется одно вещество-окислитель, одно-два восстановителя и то, что задаёт среду. Пара собирается почти однозначно, а требование условия подсказывает, какую именно среду взять.

Размечая перечень, легко ошибиться на веществах, у которых элемент стоит в промежуточной степени окисления. Такое вещество может быть и окислителем, и восстановителем — всё зависит от партнёра.

Сульфит натрия Na₂SO₃ (S⁺⁴). С перманганатом или дихроматом он восстановитель и окисляется до сульфата S⁺⁶. Но с сильным восстановителем, например с сероводородом, он сам работает окислителем, и выделяется сера.

Нитрит натрия NaNO₂ (N⁺³). С перманганатом — восстановитель (до нитрата N⁺⁵), с иодидом в кислой среде — окислитель (до NO).

Пероксид водорода H₂O₂ (кислород в степени −1). С иодидом, сульфитом или солью железа(II) он окислитель и превращается в воду. А с перманганатом — восстановитель, и выделяется кислород: 5H₂O₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 5O₂↑ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O.

Сера, иод, галогены в промежуточных состояниях ведут себя так же.

Правило отбора простое: в перечне задания 29 ищите самый сильный окислитель и самый сильный восстановитель; вещество с промежуточной степенью достаётся той роли, которая осталась свободной. Если в перечне есть перманганат, дихромат, концентрированная азотная или серная кислота — они окислители, и всё двойственное автоматически становится восстановителем.

Электронный баланс даёт два коэффициента — у окислителя и у восстановителя. Остальные приходится доставлять, и делать это надо в определённом порядке, иначе уравнение «не сходится» и второй балл теряется.

Шаг 1. Поставьте коэффициенты из баланса перед веществом-окислителем и веществом-восстановителем, а затем перед продуктами, в которые перешли эти же элементы. Для реакции перманганата с сульфитом в кислой среде баланс даёт 2 и 5, значит 2KMnO₄, 5Na₂SO₃, 2MnSO₄, 5Na₂SO₄.

Шаг 2. Уравняйте металлы, не менявшие степень окисления. Натрий и калий — их считают простым подсчётом слева и справа. Именно здесь появляется K₂SO₄ в правой части: калия слева 2, значит нужна одна молекула сульфата калия.

Шаг 3. Уравняйте кислотный остаток. Посчитайте серу (или другой остаток) в правой части и поставьте столько же молекул кислоты слева. В нашем примере сульфат-ионов справа 2 + 5 + 1 = 8, из сульфита пришли 5, значит кислоты нужно 3.

Шаг 4. Уравняйте водород водой. Слева 3H₂SO₄ дают 6 атомов водорода, значит справа 3H₂O.

Шаг 5. Проверьте кислород. Это контрольный подсчёт: если кислород сошёлся, уравнение верно. Слева 2·4 + 5·3 + 3·4 = 35, справа 2·4 + 5·4 + 4 + 3 = 35. Сходится.

Особый случай — нейтральная среда. Здесь третьим реагентом идёт вода, а в правой части появляется щёлочь, и её легко забыть. В реакции 2KMnO₄ + 3Na₂SO₃ + H₂O → 2MnO₂↓ + 3Na₂SO₄ + 2KOH калию просто некуда деться, кроме как в гидроксид: сульфат-ионов на него не хватает. Если у вас калий «повис», ищите щёлочь.

Особый случай — щелочная среда. Наоборот, щёлочь стоит слева, а вода справа: 2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2KOH → 2K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O.

Критериев два, и они проверяют разные вещи.

Балл 1 — электронный баланс. Требуется записать обе полуреакции с указанием числа отданных и принятых электронов и множителей. Эксперт смотрит, чтобы число отданных электронов равнялось числу принятых. Формально это выглядит так:

Mn⁺⁷ + 5e⁻ → Mn⁺² | × 2 — окислитель, восстанавливается

S⁺⁴ − 2e⁻ → S⁺⁶ | × 5 — восстановитель, окисляется

Обратите внимание на формулировку в правой части: «окислитель, восстанавливается» и «восстановитель, окисляется». Перепутать эти пары — классическая ошибка, и она стоит балла, даже если баланс арифметически верен.

Балл 2 — уравнение с коэффициентами и указание веществ. Мало написать «окислитель — марганец»: требуется назвать вещество, причём с уточнением, за счёт какого элемента: «окислитель — KMnO₄ за счёт Mn⁺⁷», «восстановитель — Na₂SO₃ за счёт S⁺⁴».

Тактика. Критерии независимы, поэтому:

• • если вы уверены в паре, но сомневаетесь в коэффициентах, всё равно пишите баланс — это отдельный балл;
• • если уравнение не сошлось по кислороду, не стирайте баланс: он оценивается сам по себе;
• • всегда выписывайте степени окисления над формулами в уравнении — это не оценивается отдельно, но резко снижает шанс перепутать, кто кого окисляет.

И последнее: пара веществ для задания 29 не должна совпадать с парой, которую вы возьмёте для задания 30 из того же перечня.