19.3 Установите соответствие между схемой реакции и изменением степени окисления окислителя в данной реакции

Коротко: у азота в \( \mathrm{NO_3^-} \) степень окисления считается из уравнения, а не «на глаз»: кислород всегда почти всегда \( -2 \), а сумма всех степеней окисления равна заряду частицы.

Похоже, в вопросе опечатка: вы написали «\( +5 \), а не \( +5 \)». Ниже разбираю оба варианта, с которыми чаще всего путаются, — нитрат и нитрит.

Правило

1. У кислорода в большинстве соединений степень окисления \( -2 \), у водорода \( +1 \).
2. Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна \( 0 \), а в ионе — заряду иона.
3. Неизвестную степень окисления обозначаем \( x \) и решаем уравнение.

Расчёты из 19.3

Почему у азота \( +5 \), а не \( +3 \)

Дело в числе атомов кислорода:

• в нитрат-ионе \( \mathrm{NO_3^-} \) три атома кислорода: \( x - 6 = -1 \), значит, \( x = +5 \);
• в нитрит-ионе \( \mathrm{NO_2^-} \) два атома кислорода: \( x - 4 = -1 \), значит, \( x = +3 \).

Поэтому в схеме А (\( \mathrm{NO_3^-} \rightarrow \mathrm{NO_2^-} \)) азот и меняет степень окисления с \( +5 \) на \( +3 \): он принимает электроны и работает как окислитель.

Про пероксид

В \( \mathrm{H_2O_2} \) кислород не \( -2 \), а \( -1 \) — это исключение, пероксид. Если считать «как обычно, \( -2 \)», получится ошибка, поэтому в 19.3 В окислитель — кислород с переходом \( -1 \rightarrow -2 \).

Уточнение: скажите, с каким именно числом вы сравниваете \( +5 \) — с \( +3 \) (нитрит) или с \( +4 \) (как в \( \mathrm{NO_2} \))? Тогда разберу ровно ваш случай.

Потому что \( \mathrm{NO_3^-} \) — это ион с зарядом \( -1 \), а не нейтральная молекула. Сумма степеней окисления должна равняться \( -1 \), а не \( 0 \).

Смотрите, где спряталась ошибка:

\[ x + 3\cdot(-2) = -1 \]

\[ x - 6 = -1 \]

\[ x = -1 + 6 = +5 \]

Вы посчитали \( 3\cdot(-2) = -6 \) — это верно. Но дальше нужно не «уравнять в ноль», а приравнять к заряду иона, то есть к \( -1 \).

Проверка вашего варианта \( +6 \):

Если у азота \( +6 \), то \( 6 + (-6) = 0 \). Получается нейтральная частица \( \mathrm{NO_3} \), а у нас нитрат-ион с зарядом \( -1 \). Не сходится на один «минус».

Простая логика в две строки

Три атома кислорода дают суммарно \( -6 \). Весь ион имеет заряд \( -1 \), значит, азот должен «погасить» пять минусов: \( -6 + 5 = -1 \). Отсюда \( +5 \).

И ещё один довод: у азота на внешнем уровне 5 электронов, поэтому он может отдать максимум 5 и получить степень окисления не выше \( +5 \). Степени \( +6 \) у азота не бывает.

Итог: \( +6 \) получилось бы, если бы частица была нейтральной \( \mathrm{NO_3} \). Но у нитрат-иона заряд \( -1 \), поэтому азот \( +5 \).

Ответ: А — 4, Б — 3, В — 2.

А) \( \mathrm{FeCl_3} + \mathrm{Na_2CO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_3} + \mathrm{NaCl} + \mathrm{CO_2} \)

В \( \mathrm{FeCl_3} \) у железа \( +3 \), в \( \mathrm{Fe(OH)_3} \) тоже \( +3 \). Это реакция ионного обмена с гидролизом, электроны не переходят. Значит, железо не проявляет окислительно-восстановительных свойств — вариант 4.

Б) \( \mathrm{FeO} \rightarrow \mathrm{Fe_3O_4} + \mathrm{Fe} \)

• В \( \mathrm{FeO} \) у железа \( +2 \).
• В \( \mathrm{Fe_3O_4} \) средняя степень \( +\frac{8}{3} \), но это смешанный оксид \( \mathrm{FeO \cdot Fe_2O_3} \): один атом железа \( +2 \), два атома \( +3 \).
• В простом веществе \( \mathrm{Fe} \) степень \( 0 \).

Часть железа \( +2 \) окисляется до \( +3 \) (отдаёт электроны, работает как восстановитель), а часть \( +2 \) восстанавливается до \( 0 \) (принимает электроны, работает как окислитель). Один и тот же элемент и окисляется, и восстанавливается — вариант 3.

В) \( \mathrm{Fe} + \mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{Fe(NO_3)_3} + \mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \)

Железо: \( 0 \rightarrow +3 \), то есть отдаёт три электрона. Кто отдаёт электроны — тот восстановитель. Азот при этом восстанавливается: \( +5 \rightarrow +4 \). Поэтому железо здесь — восстановитель, вариант 2.

Проверка: в А степень окисления железа не изменилась, в Б железо одновременно повысило и понизило степень окисления, в В железо только повысило. Всё сходится с ответом 432.

Ответ

Свойство меди: А — 2, Б — 4, В — 4. 19.6: А — 2, Б — 1, В — 3.

Свойство меди

• А) \( \mathrm{Cu_2O} + 3\mathrm{H_2SO_4} \rightarrow 2\mathrm{CuSO_4} + \mathrm{SO_2} + 3\mathrm{H_2O} \). Медь \( +1 \rightarrow +2 \) — окисляется, значит, восстановитель. Окислитель здесь сера: \( +6 \rightarrow +4 \).
• Б) \( \mathrm{CuS} + 8\mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{CuSO_4} + 8\mathrm{NO_2} + 4\mathrm{H_2O} \). В \( \mathrm{CuS} \) у меди \( +2 \), в \( \mathrm{CuSO_4} \) тоже \( +2 \) — степень окисления меди не меняется. Окисляется сера (\( -2 \rightarrow +6 \)), восстанавливается азот (\( +5 \rightarrow +4 \)). Медь ОВ-свойств не проявляет.
• В) \( \mathrm{CuO} + 2\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{CuCl_2} + \mathrm{H_2O} \) — реакция обмена, все степени окисления сохраняются.

Проверьте запись в пункте Б: если у вас там \( \mathrm{Cu_2S} \), то медь \( +1 \rightarrow +2 \) и ответ был бы 2. С \( \mathrm{CuS} \) — 4.

19.6. Изменение степени окисления окислителя

• А) \( \mathrm{P} + 5\mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{H_3PO_4} + 5\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \). Фосфор \( 0 \rightarrow +5 \) (восстановитель), азот \( +5 \rightarrow +4 \) (окислитель).
• Б) \( 2\mathrm{NaNO_2} + 6\mathrm{Na} \rightarrow 4\mathrm{Na_2O} + \mathrm{N_2} \). Азот \( +3 \rightarrow 0 \) — понижение, окислитель. Натрий \( 0 \rightarrow +1 \) — повышение, восстановитель.
• В) \( 4\mathrm{Zn} + 10\mathrm{HNO_3} \rightarrow 4\mathrm{Zn(NO_3)_2} + \mathrm{N_2O} + 5\mathrm{H_2O} \). В \( \mathrm{N_2O} \) у азота \( +1 \): \( +5 \rightarrow +1 \). Цинк \( 0 \rightarrow +2 \).

Проверка: в 19.6 окислитель — всегда тот элемент, чья степень окисления понижается, поэтому варианты с повышением (\( 0 \rightarrow +5 \) у фосфора, \( 0 \rightarrow +1 \) у натрия, \( 0 \rightarrow +2 \) у цинка) не выбираем. В Б важна именно пара «нитрит → азот»: \( +3 \rightarrow 0 \), а не \( +5 \rightarrow 0 \).

Это продолжение той же темы — снова ОВР и свойства элемента в реакции, только теперь фосфор. Разбираю задание № 7.

Ответ: А — 4, Б — 2, В — 2.

Степени окисления фосфора

А) \( \mathrm{H_3PO_4} + \mathrm{Mg} \rightarrow \mathrm{Mg(H_2PO_4)_2} + \mathrm{H_2} \)

У фосфора и слева, и справа \( +5 \). Реакция окислительно-восстановительная, но окисляется магний (\( 0 \rightarrow +2 \)), а восстанавливается водород (\( +1 \rightarrow 0 \)). Фосфор свою степень окисления не меняет, значит, ОВ-свойств не проявляет — 4.

Б) \( \mathrm{P} + 5\mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{H_3PO_4} + 5\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \)

Фосфор \( 0 \rightarrow +5 \): отдаёт 5 электронов и окисляется. Кто отдаёт электроны — тот восстановитель. Азот при этом принимает электроны (\( +5 \rightarrow +4 \)) и работает окислителем. Ответ — 2.

В) \( \mathrm{PH_3} + 2\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{H_3PO_4} \)

Фосфор \( -3 \rightarrow +5 \): отдаёт 8 электронов, то есть тоже только окисляется. Кислород \( 0 \rightarrow -2 \) — окислитель. Фосфор здесь восстановитель — 2.

Проверка

• Вариант 1 (окислитель) потребовал бы понижения степени окисления фосфора, например \( \mathrm{P} + \mathrm{Mg} \rightarrow \mathrm{Mg_3P_2} \) (\( 0 \rightarrow -3 \)).
• Вариант 3 (и окислитель, и восстановитель) — это реакция, где фосфор одновременно и повышает, и понижает степень окисления, например \( \mathrm{P_4} + \mathrm{KOH} \rightarrow \mathrm{PH_3} + \mathrm{KH_2PO_2} \). В наших трёх схемах такого нет.
• Цифры в ответе могут повторяться — то, что в Б и В стоит одна и та же «2», это нормально.

Это продолжение той же темы — ОВР: в 19.7 нужно найти восстановителя, в 19.8 — окислителя. Разбираю оба задания.

Ответ

• 19.7: А — 2, Б — 4, В — 4
• 19.8: А — 4, Б — 2, В — 1

Напоминаю главное правило: восстановитель — тот, чья степень окисления повышается (отдаёт электроны); окислитель — тот, чья степень окисления понижается (принимает электроны).

19.7. Кто восстановитель

• А) В \( \mathrm{H_2S} \) сера \( -2 \), в свободной сере \( 0 \) — степень повышается, значит, \( \mathrm{H_2S} \) отдаёт электроны и является восстановителем. А \( \mathrm{SO_2} \) здесь, наоборот, окислитель (\( +4 \rightarrow 0 \)).
• Б) Сера повышает степень окисления от \( +4 \) до \( +6 \), поэтому восстановитель — \( \mathrm{SO_2} \). Бром \( \mathrm{Br_2} \) понижает \( 0 \rightarrow -1 \), он окислитель — это ловушка, цифра 3 не подходит.
• В) Сера снова \( +4 \rightarrow +6 \), восстановитель — \( \mathrm{SO_2} \). А вот кислород в пероксиде \( \mathrm{H_2O_2} \) понижает \( -1 \rightarrow -2 \), поэтому \( \mathrm{H_2O_2} \) — окислитель, цифра 1 тоже не подходит.

19.8. Изменение степени окисления окислителя

• А) Литий \( 0 \rightarrow +1 \) — восстановитель. Водород \( +1 \rightarrow 0 \) — понижение, он окислитель.
• Б) Азот \( +4 \rightarrow +5 \) — повышение, то есть \( \mathrm{NO_2} \) восстановитель. Кислород в \( \mathrm{O_2} \) \( 0 \rightarrow -2 \) — понижение, значит, окислитель именно \( \mathrm{O_2} \). Кислород, который уже входит в \( \mathrm{NO_2} \), остаётся \( -2 \), он не меняется.
• В) Сера \( +4 \rightarrow +6 \) — повышение (восстановитель). Азот \( +4 \rightarrow +2 \) — понижение, окислитель \( \mathrm{NO_2} \).

Проверка

• В 19.7 цифры повторяются, и это нормально: в реакциях Б и В восстановителем является одно и то же вещество — \( \mathrm{SO_2} \). Варианты 1 (\( \mathrm{H_2O_2} \)) и 3 (\( \mathrm{Br_2} \)) в своих реакциях работают окислителями, поэтому в ответ не идут.
• Обратите внимание на разницу между заданиями: в 19.7 в реакции Б окислитель — бром, а восстановитель — сера; в 19.8 в реакции Б окислитель — кислород, а не азот. Всегда смотрите, у какого именно элемента степень понижается.

Это продолжение той же темы — снова ОВР и поиск окислителя. В поле у вас стоит 24, а нужен ответ из трёх цифр: 242.

Ответ: А — 2, Б — 4, В — 2.

Как считал степени окисления

• \( \mathrm{N_2O} \): \( 2x + (-2) = 0 \), значит, \( x = +1 \).
• \( \mathrm{N_2H_4} \): \( 2x + 4\cdot(+1) = 0 \), значит, \( x = -2 \).
• \( \mathrm{LiH} \): литий металл, у него \( +1 \), тогда у водорода \( -1 \).

Разбор по реакциям

• А) Азот понижает степень окисления с \( +1 \) до \( 0 \) — принимает электроны, поэтому \( \mathrm{N_2O} \) окислитель. Водород \( 0 \rightarrow +1 \) — восстановитель.
• Б) Водород понижает \( 0 \rightarrow -1 \), то есть \( \mathrm{H_2} \) окислитель. Литий \( 0 \rightarrow +1 \) — восстановитель. Здесь легко ошибиться и выбрать литий: он меняет степень окисления, но повышает её.
• В) В реакции два соединения азота, и это главная ловушка. Азот в \( \mathrm{N_2H_4} \) повышает степень \( -2 \rightarrow 0 \) и работает восстановителем, а азот в \( \mathrm{N_2O} \) понижает \( +1 \rightarrow 0 \) — это окислитель.

Проверка: во всех трёх случаях окислитель — вещество, в котором элемент понижает степень окисления: \( +1 \rightarrow 0 \), \( 0 \rightarrow -1 \), \( +1 \rightarrow 0 \). Номер 1 (\( \mathrm{N_2H_4} \)) и номер 3 (литий) в своих реакциях восстановители, поэтому в ответ не идут.

Это продолжение той же темы — снова ОВР, теперь свойства серы. В поле у вас набрано 13, а нужен ответ из трёх цифр: 134.

Ответ: А — 1, Б — 3, В — 4.

А) \( \mathrm{BaSO_4} + \mathrm{C} \rightarrow \mathrm{BaS} + \mathrm{CO} \)

В сульфате \( \mathrm{BaSO_4} \) у серы \( +6 \), в сульфиде \( \mathrm{BaS} \) — \( -2 \). Степень понижается, сера принимает электроны и работает окислителем. Углерод при этом \( 0 \rightarrow +2 \) — восстановитель. Ответ 1.

Б) \( \mathrm{Na_2SO_3} \rightarrow \mathrm{Na_2S} + \mathrm{Na_2SO_4} \)

В \( \mathrm{Na_2SO_3} \) у серы \( +4 \), дальше она идёт в две стороны:

• в \( \mathrm{Na_2S} \): \( +4 \rightarrow -2 \) — понижение, окислитель;
• в \( \mathrm{Na_2SO_4} \): \( +4 \rightarrow +6 \) — повышение, восстановитель.

Это реакция диспропорционирования: один и тот же элемент и окисляется, и восстанавливается. Ответ 3.

В) \( \mathrm{FeSO_4} + \mathrm{O_2} + \mathrm{H_2SO_4} \rightarrow \mathrm{Fe_2(SO_4)_3} + \mathrm{H_2O} \)

Сера везде в сульфат-ионе и везде \( +6 \): и в \( \mathrm{FeSO_4} \), и в \( \mathrm{H_2SO_4} \), и в \( \mathrm{Fe_2(SO_4)_3} \). Реакция окислительно-восстановительная, но за неё отвечают другие элементы: железо \( +2 \rightarrow +3 \) (восстановитель), кислород \( 0 \rightarrow -2 \) (окислитель). Сера ОВ-свойств не проявляет. Ответ 4.

Проверка

• В А легко ошибиться и взять вариант 2: углерод действительно восстановитель, но спрашивают про серу, а она здесь окислитель.
• В Б вариант 3 обязателен именно потому, что продукты два разных: \( \mathrm{Na_2S} \) и \( \mathrm{Na_2SO_4} \). Если бы продукт был один, диспропорционирования не было бы.
• В В все степени окисления серы одинаковы, поэтому ни 1, ни 2, ни 3 не подходят.

Коротко: сера в \( \mathrm{Fe_2(SO_4)_3} \) имеет степень окисления \( +6 \). Считать удобнее всего по сульфат-иону \( \mathrm{SO_4^{2-}} \), который входит в состав соли.

Способ 1. Через сульфат-ион (быстрее)

Кислород в сульфате имеет \( -2 \), заряд иона \( -2 \):

\[ x + 4\cdot(-2) = -2 \]

\[ x - 8 = -2 \]

\[ x = +6 \]

Способ 2. Через всю молекулу (проверка)

У железа в сульфате железа(III) степень \( +3 \), молекула нейтральна, кислорода всего \( 3\cdot4 = 12 \):

\[ 2\cdot(+3) + 3x + 12\cdot(-2) = 0 \]

\[ 6 + 3x - 24 = 0 \]

\[ 3x = 18 \]

\[ x = +6 \]

Проверка: \( 6 + 18 - 24 = 0 \) — сумма всех степеней окисления равна нулю, значит, посчитано верно.

Где обычно ошибаются

1. Решают \( x + 4\cdot(-2) = 0 \) и получают \( +8 \). Но сульфат — ион с зарядом \( -2 \), поэтому приравнивать надо к \( -2 \), а не к нулю. Это та же ошибка, что была с нитратом.
2. Забывают, что в молекуле три сульфат-группы, и берут 4 кислорода вместо 12.
3. Путают \( \mathrm{Fe_2(SO_4)_3} \) с \( \mathrm{FeSO_4} \): в обоих случаях у серы \( +6 \), а вот у железа \( +3 \) и \( +2 \) соответственно.

Полезно запомнить: в сульфатах и серной кислоте сера всегда \( +6 \), в сульфитах \( +4 \), в сульфидах \( -2 \). Максимум для серы — \( +6 \), поэтому \( +8 \) сразу должен настораживать.

Ответ: у фосфора в \( \mathrm{Ca_3(PO_4)_2} \) степень окисления \( +5 \).

Способ 1. Через фосфат-ион (быстрее)

Фосфат-ион — это \( \mathrm{PO_4^{3-}} \), у кислорода \( -2 \):

\[ x + 4\cdot(-2) = -3 \]

\[ x - 8 = -3 \]

\[ x = +5 \]

Способ 2. Через всю формулу (проверка)

Кальций — щёлочноземельный металл, у него всегда \( +2 \). Кислорода здесь \( 4\cdot2 = 8 \) атомов, фосфора — 2:

\[ 3\cdot(+2) + 2x + 8\cdot(-2) = 0 \]

\[ 6 + 2x - 16 = 0 \]

\[ 2x = 10 \]

\[ x = +5 \]

Проверка: \( 6 + 2\cdot5 - 16 = 6 + 10 - 16 = 0 \) — сумма равна нулю, значит, посчитано верно.

Где обычно ошибаются

1. Приравнивают к нулю в способе с ионом: \( x + 4\cdot(-2) = 0 \) даёт \( +8 \). Но заряд фосфат-иона \( -3 \), поэтому уравнение надо приравнивать к \( -3 \).
2. Забывают, что фосфора в формуле два атома, и получают \( +10 \) вместо \( +5 \).
3. Берут 4 атома кислорода вместо 8 — их в формуле \( 4\cdot2 = 8 \).

Полезно запомнить: в фосфатах (\( \mathrm{PO_4^{3-}} \)) фосфор всегда \( +5 \) — это его максимальная степень окисления, как у азота \( +5 \).

Ответ: в \( \mathrm{NH_4NO_3} \) два разных азота — в катионе аммония \( \mathrm{N} = -3 \), в нитрат-ионе \( \mathrm{N} = +5 \); водород \( +1 \), кислород \( -2 \).

Это соль, состоящая из двух ионов, поэтому считать надо по частям.

Проверка по всей формуле

Азота два атома, значит, их вклад \( -3 + 5 = +2 \):

\[ (+2) + 4\cdot(+1) + 3\cdot(-2) = 2 + 4 - 6 = 0 \]

Сумма равна нулю — молекула нейтральна, всё верно.

Почему нельзя посчитать «одним азотом»

Если решать \( 2x + 4\cdot(+1) + 3\cdot(-2) = 0 \), получится \( 2x - 2 = 0 \), то есть \( x = +1 \). Но это средняя степень окисления азота, а не реальная. В \( \mathrm{NH_4NO_3} \) атомы азота неравноценны: один сидит в восстановленном аммонии, другой — в окисленном нитрате.

Почему так происходит

Аммоний \( \mathrm{NH_4^+} \) — это остаток аммиака, там азот «забрал» электроны у водорода и стал \( -3 \). Нитрат \( \mathrm{NO_3^-} \) — остаток азотной кислоты, там азот отдал электроны кислороду и дошёл до максимума \( +5 \).

Полезно запомнить: в солях аммония (\( \mathrm{NH_4Cl} \), \( \mathrm{(NH_4)_2SO_4} \), \( \mathrm{NH_4NO_3} \)) азот аммония всегда \( -3 \). А \( \mathrm{NH_4NO_3} \) — хороший пример вещества, где один и тот же элемент внутри одной формулы имеет разные степени окисления; именно поэтому нитрат аммония может разлагаться с «самоокислением-самовосстановлением» азота.

Ответ: у серы в \( \mathrm{Cr_2(SO_4)_3} \) степень окисления \( +6 \). У хрома \( +3 \), у кислорода \( -2 \).

Способ 1. Через сульфат-ион (быстрее)

Сульфат — это \( \mathrm{SO_4^{2-}} \), кислород \( -2 \):

\[ x + 4\cdot(-2) = -2 \]

\[ x - 8 = -2 \]

\[ x = +6 \]

Способ 2. Через всю формулу (проверка)

Чтобы найти хром: три сульфат-иона дают \( 3\cdot(-2) = -6 \), значит, на два атома хрома приходится \( +6 \), то есть у каждого \( +3 \). Дальше считаем серу:

\[ 2\cdot(+3) + 3x + 12\cdot(-2) = 0 \]

\[ 6 + 3x - 24 = 0 \]

\[ 3x = 18 \]

\[ x = +6 \]

Проверка: \( 6 + 3\cdot6 - 24 = 6 + 18 - 24 = 0 \) — сумма равна нулю, посчитано верно.

Где обычно ошибаются

1. Приравнивают к нулю: \( x + 4\cdot(-2) = 0 \) даёт \( +8 \). Но сульфат-ион заряжен, поэтому справа должно стоять \( -2 \).
2. Берут 4 кислорода вместо 12 — в формуле три сульфат-группы.
3. Путают формулы хрома: в \( \mathrm{CrSO_4} \) у хрома \( +2 \), в \( \mathrm{Cr_2(SO_4)_3} \) — \( +3 \), в \( \mathrm{K_2Cr_2O_7} \) — \( +6 \). Сера во всех сульфатах при этом всё равно \( +6 \).

Полезно запомнить: в любой соли серной кислоты — \( \mathrm{CuSO_4} \), \( \mathrm{Al_2(SO_4)_3} \), \( \mathrm{Cr_2(SO_4)_3} \) — сера всегда \( +6 \). Считать её каждый раз заново не нужно, достаточно один раз разобрать \( \mathrm{SO_4^{2-}} \).