Окислительно-восстановительные реакции в разных средах

Раствор марганцовки из аптеки фиолетовый. Если разлить его по трём пробиркам, первую подкислить, третью подщелочить и во все добавить один и тот же восстановитель, первая обесцветится, во второй выпадет бурый осадок, а третья позеленеет.

Опыт с перманганатом калия даёт три разных продукта марганца

1. Налей в три пробирки по 2 мл бледно-фиолетового раствора KMnO₄.

2. В первую добавь немного разбавленной серной кислоты, во вторую столько же воды, в третью столько же концентрированного раствора щёлочи KOH.

3. В первые две пробирки прилей раствор сульфита натрия Na₂SO₃, в третью добавляй его по каплям, чтобы перманганат оставался в избытке, и встряхни.

4. Сравни результат: первая пробирка обесцвечивается, во второй выпадает бурый осадок MnO₂, третья зеленеет из-за манганата калия K₂MnO₄.

Марганец в KMnO₄ имеет степень окисления +7. В кислой среде он принимает 5 электронов и переходит в Mn²⁺, в нейтральной принимает 3 электрона и становится +4 в MnO₂, в щелочной принимает всего 1 электрон и становится +6 в манганате. Чем кислее среда, тем глубже восстанавливается окислитель. Цвет выдаёт продукт сразу.

Уравнения трёх пробирок различаются продуктами и средой

Кислая среда: 2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O.

Нейтральная среда: 2KMnO₄ + 3Na₂SO₃ + H₂O → 2MnO₂ + 3Na₂SO₄ + 2KOH. Среди продуктов появляется щёлочь, поэтому после реакции раствор во второй пробирке становится щелочным.

Щелочная среда: 2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2KOH → 2K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O.

Сульфит во всех трёх пробирках ведёт себя одинаково. Сера +4 отдаёт 2 электрона и становится +6 в сульфате. Меняется только судьба марганца, и поэтому коэффициенты перед сульфитом выходят разными: 5, 3 и 1.

Среду в задании ЕГЭ подсказывает третий реагент в левой части схемы. Серная кислота означает кислую среду, KOH или NaOH щелочную, вода нейтральную.

Дихромат калия окисляет в кислой среде

Дихромат калия K₂Cr₂O₇ оранжевый, хромат K₂CrO₄ жёлтый. В кислой среде хромат переходит в дихромат: 2K₂CrO₄ + H₂SO₄ → K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + H₂O. В щелочной идёт обратный переход. Хром в обоих веществах имеет +6, степени окисления не меняются, и баланс к этой реакции не пишут.

Окислителем дихромат служит в кислой среде. Хром +6 принимает по 3 электрона и становится +3, а оранжевая окраска раствора сменяется зелёной окраской солей хрома(III). На этом переходе работал старый трубочный алкотестер: пары этанола из выдоха восстанавливали подкисленный оранжевый дихромат до зелёных солей хрома(III), и по длине позеленевшего столбика в трубке судили, сколько спирта в выдохе.

Задача 1. Вычисли массу перманганата калия, которая нужна для окисления 0,3 моль сульфита натрия в кислой среде.

1. Уравнение: 2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O.

2. На 5 моль сульфита расходуется 2 моль перманганата, значит, n(KMnO₄) = 0,3 · 2 / 5 = 0,12 моль.

3. M(KMnO₄) = 158 г/моль, m = 0,12 · 158 = 18,96 г.

Ответ: 18,96 г KMnO₄.

Задача 2. Допиши продукты и расставь коэффициенты методом электронного баланса: K₂Cr₂O₇ + Na₂SO₃ + H₂SO₄ → … Укажи, как изменится цвет раствора.

1. Среда кислая, поэтому хром +6 переходит в +3 и даёт сульфат хрома(III) Cr₂(SO₄)₃. Сульфит окисляется до сульфата натрия.

2. Баланс: два атома хрома +6 принимают 6 электронов, множитель 1; сера +4 отдаёт 2 электрона, множитель 3.

3. Справа сульфат-ионов 3 + 3 + 1 = 7, три из них дал сульфит, значит, серной кислоты нужно 4. Водород кислоты даёт 4H₂O.

Ответ: K₂Cr₂O₇ + 3Na₂SO₃ + 4H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O; оранжевый раствор зеленеет.

Перекись водорода бывает и окислителем, и восстановителем

Аптечная перекись — раствор H₂O₂ с массовой долей 3 %. Кислород в ней имеет −1. Это промежуточная степень окисления между −2 в воде и 0 в простом веществе, поэтому перекись может и принимать электроны, и отдавать их.

С иодидом калия в кислой среде она окислитель и выделяет иод: H₂O₂ + 2KI + H₂SO₄ → I₂ + K₂SO₄ + 2H₂O. С более сильным окислителем роли меняются. Перманганат отнимает у неё электроны, и кислород −1 превращается в газ O₂.

Без всякого партнёра перекись тоже реагирует: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Часть атомов кислорода опускается до −2, часть поднимается до 0, и такая реакция называется диспропорционированием. Пена на ссадине — тот же кислород: разложение перекиси ускоряет фермент каталаза из крови и тканей.

Задача 3. К подкисленному серной кислотой раствору, который содержит 3,16 г KMnO₄, добавили избыток перекиси водорода. Вычисли объём выделившегося кислорода (н. у.).

1. Уравнение: 2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O.

2. n(KMnO₄) = 3,16 / 158 = 0,02 моль.

3. Кислорода по уравнению в 5 / 2 раза больше: 0,02 · 5 / 2 = 0,05 моль, V = 0,05 · 22,4 = 1,12 л.

Ответ: 1,12 л кислорода.

Продукты ОВР чаще всего путают из-за среды

• ❌ В кислой среде записывают MnO₂ → ✅ в кислой среде марганец переходит в соль Mn²⁺, а MnO₂ получается в нейтральной.

• ❌ В щелочной среде среди продуктов пишут кислоту → ✅ кислота со щёлочью не уживается, продукты в щелочной среде — соли и вода.

• ❌ Переход хромата в дихромат считают окислительно-восстановительным → ✅ хром остаётся +6.

• ❌ Подкисляют перманганат соляной кислотой → ✅ берут серную, иначе часть перманганата уйдёт на окисление хлорид-ионов.