Метод электронного баланса

Электронный баланс обязателен в задании на окислительно-восстановительную реакцию во второй части ЕГЭ по химии, а в остальных уравнениях он помогает верно расставить коэффициенты. Первая задача — классика, медь с концентрированной азотной кислотой.

Задача 1. Расставь коэффициенты методом электронного баланса в схеме Cu + HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O. Укажи окислитель и восстановитель.

1. Степени окисления меняют медь (от 0 до +2) и азот (от +5 до +4). В нитрате меди азот остаётся +5.

2. Полуреакции: Cu⁰ − 2e → Cu⁺² и N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴.

3. Наименьшее общее кратное равно 2. Множитель у меди 1, у азота 2, поэтому перед NO₂ ставим 2.

4. Азот уходит ещё и в соль: два атома в Cu(NO₃)₂ и два в NO₂, всего нужно 4HNO₃. Четыре атома водорода дают 2H₂O.

5. Проверка по кислороду: слева 4 · 3 = 12, справа 6 + 4 + 2 = 12.

Ответ: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O; окислитель HNO₃ за счёт азота +5, восстановитель Cu.

Степень окисления считают по сумме зарядов

Степень окисления — условный заряд атома, если считать все связи в веществе ионными. У простых веществ она равна нулю. Кислород почти везде имеет −2, водород +1, металлы — положительные значения, а сумма степеней окисления в молекуле всегда равна нулю. Исключений немного: в пероксидах кислород −1, в гидридах металлов водород −1.

Для примера возьмём дихромат калия K₂Cr₂O₇. Два атома калия дают +2, семь атомов кислорода дают −14. На два атома хрома остаётся +12. Значит, у каждого +6.

Окислитель принимает электроны, восстановитель отдаёт

Окисление — отдача электронов, при ней степень окисления растёт. Восстановление — приём электронов, степень окисления падает. Окислитель сам при этом восстанавливается, а восстановитель окисляется. На этой перекрёстной паре слов и теряют баллы: в условии спрашивают про вещество, а ученик отвечает про процесс.

Типичные окислители: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, азотная кислота, концентрированная серная кислота, галогены, кислород. Типичные восстановители — металлы, водород, углерод, CO, сероводород, иодиды.

Атом в промежуточной степени окисления бывает и окислителем, и восстановителем. Сера +4 в SO₂ окисляется кислородом до +6 в контактном аппарате сернокислотного завода, а при встрече с сероводородом сама восстанавливается до простого вещества: SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O. С крайними степенями окисления так не бывает. Сера −2 работает только восстановителем, сера +6 только окислителем.

Баланс собирают за пять действий

1. Расставь степени окисления и найди атомы, у которых они изменились.

2. Запиши полуреакции: сколько электронов отдаёт восстановитель и сколько принимает окислитель.

3. Найди наименьшее общее кратное числа электронов и множители к нему.

4. Перенеси множители в уравнение как коэффициенты перед окислителем и восстановителем.

5. Уравняй остальные атомы: сначала металлы, потом кислотные остатки, потом водород. Кислород проверяет всё уравнение.

Доменная печь даёт короткий пример: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо +3 принимает по 3 электрона, на два атома из одной формулы оксида выходит 6. Углерод +2 в CO отдаёт по 2 электрона и становится +4, поэтому молекул CO нужно три. Шесть отданных, шесть принятых. Оксид углерода(II) образуется из кокса прямо в печи, поднимается навстречу руде и отнимает у оксида железа кислород.

В балансе чаще всего теряют атомы, которые не меняют степень окисления

• ❌ Ставят множитель из баланса прямо перед HNO₃ → ✅ часть кислоты идёт на соль, коэффициент перед HNO₃ считают в самом конце.

• ❌ Пишут Cr⁺⁶ + 3e → Cr⁺³ и забывают, что в K₂Cr₂O₇ два атома хрома → ✅ полуреакцию пишут сразу на два атома, и принимается 6 электронов.

• ❌ Окислителем называют вещество, которое отдало электроны → ✅ окислитель электроны принимает.

• ❌ Пропускают проверку по кислороду → ✅ если кислород не сошёлся, ошибка сидит раньше, обычно в водороде.

Задача 2. Дихромат калия реагирует с концентрированной соляной кислотой: K₂Cr₂O₇ + HCl → KCl + CrCl₃ + Cl₂ + H₂O. Расставь коэффициенты и вычисли объём хлора (н. у.), который выделится из 14,7 г дихромата калия.

1. Баланс: два атома хрома +6 принимают 6 электронов и становятся +3, множитель 1. Два хлорид-иона отдают 2 электрона и образуют Cl₂, множитель 3.

2. Перед Cl₂ ставим 3, перед CrCl₃ 2, перед KCl 2. Хлора справа 2 + 6 + 6 = 14, значит, слева 14HCl. Водород даёт 7H₂O, кислород сходится: 7 слева и 7 справа.

3. Уравнение: K₂Cr₂O₇ + 14HCl → 2KCl + 2CrCl₃ + 3Cl₂ + 7H₂O.

4. M(K₂Cr₂O₇) = 294 г/моль, n = 14,7 / 294 = 0,05 моль.

5. Хлора по уравнению втрое больше: 0,05 · 3 = 0,15 моль, V = 0,15 · 22,4 = 3,36 л.

Ответ: 3,36 л хлора.

Задача 3. Хлорный отбеливатель содержит гипохлорит натрия NaClO. Составь электронный баланс реакции NaClO + 2HCl → NaCl + Cl₂ + H₂O и вычисли объём хлора (н. у.), который выделится из 7,45 г NaClO.

1. Хлор +1 в гипохлорите принимает 1 электрон, хлор −1 из кислоты отдаёт 1 электрон, оба становятся 0 в молекуле Cl₂. Окислитель NaClO, восстановитель HCl.

2. M(NaClO) = 23 + 35,5 + 16 = 74,5 г/моль, n = 7,45 / 74,5 = 0,1 моль.

3. По уравнению хлора столько же, 0,1 моль, V = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: 2,24 л хлора. Та же реакция идёт, если смешать хлорный отбеливатель с кислотным средством для чистки сантехники, поэтому сливать их вместе нельзя: хлор ядовит.