Самое первое задание второй части ЕГЭ и ОГЭ по химии, где нужно дать развернутый ответ, касается окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Также знание этой темы необходимо для выполнения задания №21 в ЕГЭ и задания №14 в ОГЭ. Попробуем разобраться, что же это такое - ОВР, и как их правильно записывать и уравнивать.
ОВР - это реакции, в которых атомы обмениваются электронами и меняют свои степени окисления.
Например, образование молекулы воды:
Атомы кислорода забирают электроны у атомов водорода.
Атомы, принимающие электроны - окислители, а отдающие - восстановители.
Рассмотренная реакция относится к межмолекулярным ОВР, так как атомы окислителя и восстановителя находятся в разных молекулах. В случаях, когда они находятся в составе одной молекулы, ОВР называют внутримолекулярными (например: 2H2O = 2H2 + O2). Бывают реакции, в которых атомы одного и того же химического элемента играют роль и окислителя и восстановителя. Это реакции диспропорционирования. В них часть одинаковых атомов понижает степень окисления, а другая часть повышает. Например, в реакции 2H2O2 = 2H2O + O2 часть атомов кислорода из степени окисления -1 переходит в -2, а часть из -1 в 0. Если же атомы одного и того же химического элемента переходят из разных степеней окисления в одну - то это реакции репропорционирования. В реакции SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O в левой части есть атомы S в степени окисления +4 и -2, а переходят они в степень окисления 0.
Поговорим о методах уравнивания ОВР. Число атомов химических элементов в левой и правой части уравнения должно быть одинаковым - это закон сохранения массы. Как правильно и быстро подобрать коэффициенты? Есть два метода.
Метод электронного баланса
Подберем коэффициенты для реакции
Для начала выясним, какие элементы меняют свои степени окисления. Видно, что это азот (из +5 в +4 - принимает 1 электрон) и медь (из 0 в +2 - отдает 2 электрона). Запишем это:
Число отданных и принятых электронов должно быть равно!
Для того, чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, подберем наименьшее общее кратное для чисел 1 и 2 - это 2. Первую полуреакцию умножаем на 2, вторую - на 1, и с учетом умножающих коэффициентов записываем суммарную реакцию:
Перенесем полученные коэффициенты в полное уравнение химической реакции. Перед HNO3 и NO2 поставим 2. Однако, видимо, что часть нитрат ионов пошла на образование нитрата меди, и в правой части атомов азота не 2, а 4. Поэтому перед молекулой HNO3 удваиваем коэффициент. Проверим атомы H. В левой части их 4, значит перед H2O ставим 2.
Коэффициенты найдены. Как видите, после составления электронного баланса, нам понадобились дополнительные действия для поиска верных коэффициентов. Можно воспользоваться более удобным методом.
Метод ионно-электронных схем
В данном методе при составлении полуреакций используют реально существующие в растворе частицы (ионы, если вещество электролит, и молекулы, если вещество слабый электролит или не распадается на ионы вовсе). Для той же самой реакции взаимодействия меди и концентрированной HNO3 составим полуреакции. Азотная кислота является электролитом, поэтому атом N(+5) в растворе существует в виде нитрат иона NO3(-). А полученный в ходе реакции оксид NO2 не является электролитом. Он и будет фигурировать в полуреакции:
Нужно уравнять правую и левую части. Для этого воспользуемся правилами:
В кислой или нейтральной среде:
1.Недостаток атомов O уравниваем молекулами воды
2.Недостаток атомов H уравниваем протонами (H+)
3.Если в нейтральной среде в левой части возникают протоны, добавляем в правую и левую часть уравнения гидроксо-группы для образования молекул воды.
В щелочной среде:
1.Недостаток атомов O уравниваем гидроксо-группами (OH-), взятыми в 2-хкратном избытке
2.Недостаток атомов H уравниваем молекулами воды.
В нашем случае среда кислая. Поэтому в правой части полуреакции добавляем молекулу H2O для уравнивания атомов O, а в левой части два протона для уравнивания атомов H. Суммарный заряд всех ионов в левой части полуреакции составил +1, а в правой части 0. Значит система приняла 1 электрон:
Такими же рассуждениями записываем полуреакцию с участием меди, находим наименьшее общее кратное, и с учетом умножающих коэффициентов записываем суммарное уравнение:
Нам остается просто перенести полученные коэффициенты в уравнение реакции:
Как видно, количество протонов и молекул воды в результате использования данного метода получается автоматически.
Метод ионно-электронных схем в сравнении с методом электронного баланса правильнее отражает химию протекания окислительно-восстановительных реакций, так как показывает реально существующие в растворе частицы.
В дальнейших публикациях рассмотрим применение метода ионно-электронных схем в нейтральной и щелочной среде, а также при уравнивании органических реакций.