Как решать задачу №30 (С1) на ЕГЭ по химии. Часть II
Мы продолжаем обсуждать задачи типа C1 (№ 30), которые могут встретиться вам на ЕГЭ по химии. В первой части мы вспомнили, что такое степень окисления, поговорили об ОВР, изложили общий алгоритм решения задачи 30 и разобрали пару несложных примеров.
Во второй части мы займемся более сложными реакциями.
Четвертый шаг: продолжаем осваивать метод электронного баланса. Рассматриваем сложные случаи задачи № 30
Пример 6. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции
Br2 + Ca(OH)2 = CaBr2 + Ca(BrO3)2 + H2O
методом электронного баланса.
Решение. По традиции, вы самостоятельно определяете степени окисления. Интересно, что в данном случае степень окисления изменяется лишь у одного элемента - брома.
В первой части статьи мы уже сталкивались с подобной ситуацией. Бром в этой реакции является и окислителем (степень окисления понижается от 0 до -1), и восстановителем (степень окисления повышается от 0 до +5). Перед нами типичный пример реакции диспропорционирования.
Тот факт, что бром выполняет сразу две функции, ничего не меняет в нашем алгоритме. Напишем полуреакции окисления и восстановления:
| Br2(0) - 10e | = | 2Br(+5) | (процесс окисления, отдача 10 электронов) |
| Br2(0) + 2e | = | 2Br(-1) | (процесс восстановления, присоединение 2 электронов) |
Еще раз напоминаю, что молекулу брома нельзя "разорвать" на части. Мы пишем именно Br2 (0), а не Br(0).
"Домножим" первую полуреакицию на 1, а вторую - на 5.
| Br2(0) - 10e | = | 2Br(+5) | (1) |
| Br2(0) + 2e | = | 2Br(-1) | (5) |
Полученные коэффициенты переносим в уравнение реакции: перед формулой Ca(BrO3)2 ничего не меняем (коэффициент 1), а перед формулой бромида кальция в правой части ставим число 5.
Br2 + Ca(OH)2 = 5CaBr2 + Ca(BrO3)2 + H2O
А что ставить перед формулой Br2: 5 или 1? Ни то, ни другое! Мы должны учесть и те атомы брома, которые окисляются, и те, которые восстанавливаются: 5 + 1 = 6.
6Br2 + Ca(OH)2 = 5CaBr2 + Ca(BrO3)2 + H2O
Уравниваем количество атомов кальция, ставим число 6 перед формулой Ca(OH)2 в левой части:
6Br2 + 6Ca(OH)2 = 5CaBr2 + Ca(BrO3)2 + H2O.
Последний штрих: коэффициент 6 перед формулой воды в правой части уравнения:
6Br2 + 6Ca(OH)2 = 5CaBr2 + Ca(BrO3)2 + 6H2O.
Все!
Пример 7. (небольшая модификация предыдущей задачи). Расставьте коэффициенты в уравнении р-ции
Br2 + NaOH = NaBr + NaBrO3 + H2O.
Решение. Уравнение реакции как две капли воды похоже на уравнение из примера 6. То же взаимодействие брома с горячим раствором щелочи, только вместо гидроксида кальция взят гидроксид натрия.
Я не буду вникать в подробности. Ясно, что это вновь реакция диспропорционирования, ясно, что бром - это и окислитель, и восстановитель. Более того, уравнения полуреакций будут в точности повторять то, что было в примере 6. Даже коэффициенты (1 и 5) - те же самые. Уверен, что вы все это сможете проверить самостоятельно.
Сразу начну с финального этапа. Вот, что должно было у вас получиться:
6Br2 + 12NaOH = 10NaBr + 2NaBrO3 + 6H2O.
Казалось бы, все отлично. Проверка показывает, что количества атомов брома, натрия, кислорода и водорода в левой и правой частях уравнения одинаковы. Все? Можно ставить точку?
Самое печальное, что многие действительно считают, что уравнение написано идеально. Досадная невнимательность! Обратите внимание: все коэффициенты в уравнении реакции можно поделить на два. Если этого не сделать, наша оценка за задачу С1 будет снижена на 1 балл.
Вот правильный вариант:
3Br2 + 6NaOH = 5NaBr + NaBrO3 + 3H2O.
Пожалуйста, будьте внимательны! Не допускайте, чтобы из-за подобных мелочей вам снизили оценку.
Пример 8. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции
Cu2S + HNO3 = Cu(NO3)2 + H2SO4 + NO2 + H2O.
Решение. Уравнение длинное, вам придется изрядно попотеть с расстановкой степеней окисления. Дам небольшую подсказку: степень окисления серы в Cu2S равна +1.
Ну, что же, давайте искать окислитель и восстановитель. Да вот же они: N (степень окисления понижается от +5 до +4) и S (повышается от -2 до +6). Ура!
Нет, друзья, радоваться рановато. Обратите внимание: степень окисления меди тоже изменяется от +1 до +2, следовательно, медь тоже является восстановителем (тоже окисляется).
"Два восстановителя? Это какая-то ошибка?" - спросите вы.
Нет, ошибки нет. Возможно, такая ситуация не очень типична для задачи С1, но, в принципе, здесь нет ничего криминального. Никто и никогда не утверждал, что в уравнении реакции может быть лишь один окислитель и один восстановитель.
"Но как же быть с электронным балансом? - спросите вы. - Число электронов, принятых азотом, будем сравнивать с числом электронов, отданных атомами меди или серы?"
Оба варианта неверны! Не медь, не сера, а "молекула" сульфида меди (I) должна рассматриваться в уравнении полуреакции окисления. Атом серы расстается с 8 электронами, каждый из атомов меди - с одним электроном. Итог: 10 электронов на одну молекулу Cu2S.
Пишем полуреакции окисления и восстановления:
| 2Cu(+1) - 2e | = | 2Cu(+2) | (процесс окисления, отдача 2 электронов) |
| S(-2) - 8e | = | S(+6) | (процесс окисления, отдача 8 электронов) | всего отдано 10е |
| N(+5) + e | = | N (+4) | (процесс восстановления, присоединение 1 электрона) |
"Домножим" первую полуреакицию (суммарную) на 1, а вторую - на 10. Итог: в уравнении реакции перед формулой сульфида меди ничего не меняется (коэффициент 1), а перед формулой NO2 появляется коэффициент 10. Только не спешите ставить число 10 перед HNO3 в левой части. Не все атомы азота меняли степень окисления!
Cu2S + HNO3 = Cu(NO3)2 + H2SO4 + 10NO2 + H2O.
Уравниваем количество атомов меди (коэффициент 2 перед формулой Cu(NO3)2). И вот только теперь, найдя общее количество атомов азота в правой части (10 + 4 = 14), мы смело можем ставить число 14 перед формулой азотной кислоты:
Cu2S + 14HNO3 = 2Cu(NO3)2 + H2SO4 + 10NO2 + H2O.
Осталось изменить коэффициент перед водой; с учетом того, что количество атомов водорода в левой части равно 14, сделать это несложно:
Cu2S + 14HNO3 = 2Cu(NO3)2 + H2SO4 + 10NO2 + 6H2O.
Итак, мы разобрали пример задачи № 30 с участием двух элементов - восстановителей. Обращаю внимание на следующие моменты:
- 1) будьте внимательны при поиске окислителя и восстановителя, возможно, их будет несколько;
- 2) в случае нескольких восстановителей (или окислителей) в электронном балансе необходимо учитывать ОБЩЕЕ количество отданных (или принятых) электронов;
- 3) общий алгоритм даже в этом случае практически не изменяется.
Пример 9. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции
FeS2 + O2 = Fe2O3 + SO2.
Решение. Популярная в экзаменационных заданиях реакция обжига пирита - это тоже пример ОВР, в которой участвуют 2 восстановителя: степень окисления железа повышается от +2 до +3, а степень окисления серы - от -1 до +4. Окислителем, естественно, является кислород.
Попробуйте решить эту задачу самостоятельно, взяв за образец пример 8. Не забывайте, что "молекулу" пирита необходимо рассматривать как единое целое.
Молекула О2 "расстается" с четырьмя электронами, FeS2 - присоединяет 11 е.
Есть одна тонкость: в молекуле Fe2O3 два атома железа, поэтому в полуреакции окисления вам придется рассматривать ДВЕ молекулы пирита. На 2 единицы FeS2 потребуется уже не 11 электронов, а 22!
Окончательное уравнение:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
Советую вам запомнить не только принцип решения этой задачи, но и само уравнение реакции. В заданиях C1 часто фигурирует обжиг сульфидов (железа, меди и т. д.)
Рассмотрим процесс с участием органических соединений.
Пример 10. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции
C2H5OH + K2Cr2O7 + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + K2SO4 + CH3COOH + H2O.
Решение. А что, собственно, меняется в нашем алгоритме с появлением органического вещества? Ничего! Те же степени окисления, определение окислителя и восстановителя, две полуреакции.
Единственная проблема - расставлять степени окисления в органических веществах чуть сложнее, чем в неорганических. Если вы забыли, как это делается, обратитесь к разделу справочника "Степени окисления".
В данном случае должно получиться следующее: C-3H3C-1H2OH и C-3H3C+3OOH. Обратите внимание: в составе молекул этанола и уксусной кислоты присутствуют атомы углерода с разными степенями окисления. Один из атомов С не меняет степень окисления (-3), другой - принимает 4 электрона (повышение степени окисления от -1 до +3).
Понятно, что углерод выступает в роли восстановителя, а окислителем в данном процессе является хром (изменение степени окисления от +6 до +3).
Записываем уравнения двух полуреакций. Естественно в полуреакции окисления учитывается только С(-1), т. к. С(-3) сохраняется в неизменном виде.
| C(-1) - 4e | = | C(+3) | (процесс окисления, отдача 4 электронов) |
| 2Cr(+6) + 6e | = | 2Cr(+3) | (процесс восстановления, присоединение 6 электронов) |
Соответствующие коэффициенты равны 3 и 2.
| C(-1) - 4e | = | C(+3) | (3) |
| 2Cr(+6) + 6e | = | 2Cr(+3) | (2) |
Полученные коэффициенты переносим в уравнение реакции: перед формулами C2H5OH и CH3COOH ставим число 3, перед формулами бихромата калия и сульфата хрома (III) - коэфф. 2:
3C2H5OH + 2K2Cr2O7 + H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 3CH3COOH + H2O.
Общее число атомов калия в левой части не соответствует числу тех же атомов справа. Решаем эту проблему, ставя перед формулой сульфата калия коэффициент 2:
3С2H5OH + 2K2Cr2O7 + H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 3CH3COOH + H2O.
Видим, что число атомов серы справа равно восьми, следовательно, слева перед формулой серной кислоты также следует поставить число 8:
3C2H5OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 3CH3COOH + H2O.
А теперь очень внимательно считаем число атомов водорода в левой части. Должно получиться 34. В правой части 12 атомов водорода находится в 3 молекулах уксусной кислоты. 34 - 12 = 22, перед формулой воды ставим коэффициент 11.
Впрочем, зачем я все это так подробно объясняю? Думаю, у вас весь этот процесс уже отработан до автоматизма. Вот окончательный ответ:
3C2H5OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 3CH3COOH + 11H2O.
По-моему, мы в совершенстве овладели методом электронного баланса. Уверен, что ничего сложнее, чем примеры 8 - 10, на реальном ЕГЭ по химии нам не предложат.
Дам вам еще несколько заданий для самостоятельной работы. Обязательно сделайте их!
Пример 11. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнениях следующих реакций:
Ag + HNO3 = AgNO3 + NO + H2O,
Mg + HNO3 = Mg(NO3)2 + NH4NO3 + H2O,
NaBr + H2SO4 = Na2SO4 + Br2 + SO2 + H2O,
K2Cr2O7 + H2SO4 + HCOH = CO2 + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O,
As2S3 + HNO3 = H3AsO4 + H2SO4 + NO2 + H2O,
KMnO4 + HCl = KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O.
Пора двигаться дальше. Впереди - давно обещанные задания С1 с неполными уравнениями реакций. Но сначала нам придется вспомнить типичные окислители и восстановители и рассмотреть продукты их превращений. Поговорим о перманганатах, бихроматах, азотной кислоте и т. д.