Zadanie C1 na Egzaminie Maturystycznym z Chemii. Cechy, wskazówki i rekomendacje.

Zadanie C1 na egzaminie ЕГЭ z chemii. Cechy, porady, zalecenia.
Autorka artykułu — profesjonalna korepetytorka O. W. Owczinnikowa.

Część C na ЕГЭ z chemii zaczyna się od zadania C1, które zakłada ułożenie reakcji redoks (zawierającej już część reagentów i produktów). Jest ono sformułowane następująco:
C1. Używając metody bilansu elektronowego, ułóż równanie reakcji. Określ utleniacz i reduktor.
Często kandydaci uważają, że to zadanie nie wymaga szczególnego przygotowania. Jednak zawiera ono pułapki, które utrudniają uzyskanie pełnej liczby punktów. Zobaczmy, na co zwrócić uwagę.

Wiedza teoretyczna

Rozkładając permanganian potasu jako utleniacz.

• reduktory
  w środowisku kwaśnym
  w środowisku obojętnym
  w środowisku zasadowym
  (sól tej samej kwasu, który bierze udział w reakcji)

Manganian lub , –
Dichromian i chromian jako utleniacze.
(w środowisku kwaśnym i obojętnym), (w środowisku zasadowym) + reduktory zawsze powstaje
środowisko kwaśne
środowisko obojętne
środowisko zasadowe
Sole tych kwasów, które uczestniczą w reakcji:

w roztworze, lub w stopionym stanie
Zwiększanie stopni utlenienia chromu i manganu.

• bardzo silne utleniacze (zawsze, niezależnie od środowiska!)
  , sole, hydroksokompleksy

• bardzo silne utleniacze: a) tlenowe sole chloru (w zasadowym roztopionym stanie) b) (w zasadowym roztworze)
  Środowisko zasadowe:
  powstaje chromian
  , sole

• bardzo silne utleniacze w środowisku kwaśnym lub
  Środowisko kwaśne:
  powstaje dichromian lub kwas dichromowy
  — tlenek, wodorotlenek, sole

• bardzo silne utleniacze: , tlenowe sole chloru (w stanie stopionym)
  Środowisko zasadowe:
  — manganian
  — sole

• bardzo silne utleniacze w środowisku kwaśnym lub
  Środowisko kwaśne:
  — permanganian — kwas manganowy
  Kwas azotowy z metalami.
  — nie wydziela się wodór, powstają produkty redukcji azotu.
  Im metal jest bardziej aktywny i im mniejsze stężenie kwasu, tym dalej redukuje się azot

Nieaktywne metale (na prawo od żelaza) + stężony kwas
Niemetale + stężony kwas
Nieaktywne metale (na prawo od żelaza) + rozcieńczony kwas
Aktywne metale (alkaliczne, ziem alkalicznych, cynk) + stężony kwas
Aktywne metale (alkaliczne, ziem alkalicznych, cynk) + średnio rozcieńczony kwas
Aktywne metale (alkaliczne, ziem alkalicznych, cynk) + bardzo rozcieńczony kwas
Pasivacja: z zimnym stężonym kwasem azotowym nie reagują:
Nie reagują z kwasem azotowym przy żadnym stężeniu:

Kwas siarkowy z metalami.
— rozcieńczony kwas siarkowy reaguje jak zwykły kwas mineralny z metalami leżącymi po lewej stronie szeregu aktywności, przy czym wydziela się wodór;
— w reakcji z metalami stężony kwas siarkowy nie wydziela wodoru, powstają produkty redukcji siarki.

Nieaktywne metale (na prawo od żelaza) + stężony kwas
Niemetale + stężony kwas
Metale ziem alkalicznych + stężony kwas
Metale alkaliczne i cynk + stężony kwas
Rozcieńczony kwas siarkowy zachowuje się jak zwykły kwas mineralny (np. kwas solny)
Pasivacja: z zimnym stężonym kwasem siarkowym nie reagują:
Nie reagują z kwasem siarkowym przy żadnym stężeniu:

Dysproporcjonowanie.
Reakcje dysproporcjonowania — to reakcje, w których ten sam pierwiastek jest zarówno utleniaczem, jak i reduktorem, jednocześnie podwyższając i obniżając swój stopień utlenienia:

Dysproporcjonowanie niemetali — siarki, fosforu, halogenów (oprócz fluoru).
Siarka + zasada → 2 sole, siarczek i siarczyn metalu (reakcja przebiega przy gotowaniu)
i
Fosfor + zasada → fosfin i sól hipofosfitu (reakcja przebiega przy gotowaniu)
i
Chlor, brom, jod + woda (bez ogrzewania) → 2 kwasy,
Chlor, brom, jod + zasada (bez ogrzewania) → 2 sole i woda
i
Brom, jod + woda (przy ogrzewaniu) → 2 kwasy,
Chlor, brom, jod + zasada (przy ogrzewaniu) → 2 sole i woda
i
Dysproporcjonowanie tlenku azotu (IV) i jego soli.

• woda → 2 kwasy, kwas azotowy i azotawy

• zasada → 2 sole, azotan i azotyn
  i

siarkek i siarczan potasu
i

2 sole, chlorek i nadchloran
i
Aktywność metali i niemetali.
Do analizy aktywności metali używa się albo szeregu elektrochemicznego napięć metali, albo ich pozycji w układzie okresowym. Im metal jest bardziej aktywny, tym łatwiej oddaje elektrony i tym lepszym będzie reduktorem w reakcjach redoks.
Szereg elektrochemiczny napięć metali:
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au
Aktywność niemetali również można określić na podstawie ich pozycji w układzie Mendelejewa.
Zapamiętaj! Azot — bardziej aktywny niemetal niż chlor!
Bardziej aktywny niemetal będzie utleniaczem, a mniej aktywny będzie pełnił rolę reduktora, jeśli reagują ze sobą.
Szereg elektroujemności niemetali:

wzrastająca elektroujemność
Cechy zachowania niektórych utleniaczy i reduktorów.
a) tlenowe sole i kwasy chloru w reakcjach z reduktorami zwykle przechodzą w chlorki;
b) jeżeli w reakcji występują substancje, w których ten sam pierwiastek ma negatywne i pozytywne stopnie utlenienia — one spotykają się w zerowym stopniu utlenienia (wydziela się prosta substancja).

Wymagane umiejętności.
Ustalanie stopni utlenienia.
Trzeba pamiętać, że stopień utlenienia — to hipotetyczny ładunek atomu (to znaczy warunkowy, umowny), ale nie może on wykraczać poza zdrowy rozsądek. Może być całkowity, ułamkowy lub zerowy.
Zadanie 1: Ustal stopnie utlenienia w substancjach:

Ustalanie stopni utlenienia w związkach organicznych.
Pamiętaj, że interesują nas stopnie utlenienia tylko tych atomów węgla, które zmieniają swoje otoczenie w procesie redoks, przy czym ładunek całkowity atomu węgla i jego nie-węglowego otoczenia przyjmuje się jako 0.
Zadanie 2: Określ stopień utlenienia atomów węgla, zaznaczonych ramką wraz z nie-węglowym otoczeniem:
2‑metylobuten‑2: – =
aceton:
kwas octowy: –
Nie zapominaj zadawać sobie główne pytanie: kto w tej reakcji oddaje elektrony, a kto je przyjmuje, i w co one przechodzą? Aby nie wychodziło, że elektrony pojawiają się znikąd lub znikają.
Przykład:
W tej reakcji trzeba zauważyć, że jodek potasu może być tylko reduktorem, więc azotyt potasu będzie przyjmował elektrony, obniżając swój stopień utlenienia. W tych warunkach (roztwór rozcieńczony) azot przechodzi z do najbliższego stopnia utlenienia.

Ułożenie bilansu elektronowego staje się trudniejsze, jeżeli jednostka wzorcowa substancji zawiera kilka atomów utleniacza lub reduktora. W takim przypadku należy to uwzględnić w półreakcji, obliczając liczbę elektronów.
Najczęstszy problem — z dichromianem potasu , kiedy działa on jako utleniacz i przechodzi w :

Nie wolno zapominać tych dwójek przy równoważeniu, ponieważ one wskazują liczbę atomów danego rodzaju w równaniu.
Zadanie 3: Jaką wartość współczynnika należy postawić przed i przed

Zadanie 4: Jaki współczynnik w równaniu reakcji będzie stał przed magnezem?

Określ, w jakim środowisku (kwaśnym, obojętnym lub zasadowym) przebiega reakcja. Można to określić albo na podstawie produktów redukcji manganu i chromu, albo po typie związków, które powstały w prawej stronie reakcji: na przykład, jeśli w produktach widzimy kwas, kwasowy tlenek — to na pewno nie jest środowisko zasadowe, a jeśli powstaje wodorotlenek metalu — to na pewno nie środowisko kwaśne. No i oczywiście, jeśli w lewej części mamy siarczany metali, a w prawej — niczego podobnego do związków siarki — to prawdopodobnie reakcja przebiega w obecności kwasu siarkowego.
Zadanie 5: Określ środowisko i substancje w każdej reakcji:

Pamiętaj, że woda — wolny podróżnik, może zarówno uczestniczyć w reakcji, jak i powstawać.
Zadanie 6: Po której stronie reakcji znajdzie się woda? A w co przejdzie cynk?

Zadanie 7: Łagodne i ostre utlenianie alkenów. Uzupełnij i zrównaj reakcje, uprzednio ustalając stopnie utlenienia w cząsteczkach organicznych:
(zimny roztwór)
(wodny roztwór)

Czasami jakiś produkt reakcji można określić tylko, układając bilans elektronowy i rozumiejąc, jakich cząsteczek mamy więcej:
Zadanie 8: Jakie jeszcze produkty powstaną? Uzupełnij i zrównaj reakcję:

W co przechodzą reagenty w reakcji?

Jeśli obie substancje mogą pełnić zarówno rolę reduktora, jak i utleniacza — trzeba przemyśleć, który z nich jest silniejszym utleniaczem. Wtedy drugi będzie reduktorem.
Zadanie 11: Który z tych halogenów jest utleniaczem, a który reduktorem?

Jeśli zaś jeden z reagentów jest typowym utleniaczem lub reduktorem — wtedy drugi będzie „wykonywał jego wolę”, albo oddając elektrony utleniaczowi, albo przyjmując od reduktora.
Nadtlenek wodoru — substancja o podwójnej naturze, w roli utleniacza (co jest mu bardziej właściwe) przechodzi w wodę, a w roli reduktora — przechodzi w wolny gazowy tlen.
Zadanie 12: Jaką rolę pełni nadtlenek wodoru w każdej reakcji?

Kolejność ustalania współczynników w równaniu

Najpierw umieść współczynniki uzyskane z bilansu elektronowego. Pamiętaj, że mnożyć lub skracać je można tylko wspólnie. Jeśli jakaś substancja pełni rolę zarówno środowiska, jak i utleniacza (reduktora) — trzeba ją zrównoważyć później, gdy niemal wszystkie współczynniki są ustawione. Przedostatni wyrównuje się wodór, a tlen sprawdza się na końcu!
Zadanie 13: Uzupełnij i zrównaj:

Nie śpiesz się, licząc atomy tlenu! Nie zapominaj mnożyć, a nie sumować indeksy i współczynniki. Liczba atomów tlenu w lewej i prawej stronie musi się zgadzać! Jeśli się nie zgadza (zakładając, że liczenia są poprawne) — to znaczy, że gdzieś jest błąd.

Możliwe błędy

Ustalanie stopni utlenienia: sprawdzaj każdą substancję uważnie. Często popełnia się błędy w następujących przypadkach:
a) stopnie utlenienia w związkach wodoru niemetali: fosfin — stopień utlenienia fosforu — ujemny;
b) w związkach organicznych — sprawdź jeszcze raz, czy całe otoczenie atomu zostało uwzględnione;
c) amoniak i sole amonowe — w nich azot zawsze ma stopień utlenienia ;
d) tlenowe sole i kwasy chloru — w nich chlor może mieć stopień utlenienia ;
e) nadtlenki i nadnadtlenki — w nich tlen nie ma stopnia utlenienia , zdarza się , a w — nawet ;
f) podwójne tlenki: — w nich metale mają dwa różne stopnie utlenienia, zwykle tylko jeden z nich uczestniczy w przenoszeniu elektronów.
Zadanie 14: Uzupełnij i zrównaj:

Zadanie 15: Uzupełnij i zrównaj:

Wybór produktów bez uwzględnienia transferu elektronów — to znaczy, na przykład, w reakcji jest tylko utleniacz bez reduktora lub odwrotnie.
Przykład: w reakcji wolny chlor często ucieka. Okazuje się, że elektrony do manganu przyleciały z kosmosu…
Błędne chemicznie produkty: nie może powstać taka substancja, która reaguje ze środowiskiem!
a) w środowisku kwaśnym nie może powstać tlenek metalu, zasada, amoniak;
b) w środowisku zasadowym nie powstanie kwas lub kwaśny tlenek;
c) tlenek lub tym bardziej metal, reagujące gwałtownie z wodą, nie powstają w roztworze wodnym.
Zadanie 16: Znajdź w reakcjach błędne produkty, wyjaśnij, dlaczego nie mogą powstawać w tych warunkach:

Odpowiedzi i rozwiązania z objaśnieniami

Zadanie 1:

Zadanie 2:
2‑metylobuten‑2: – =
aceton:
kwas octowy: –

Zadanie 3:
Ponieważ w cząsteczce dichromianu są 2 atomy chromu, to i elektronów oddają one dwukrotnie więcej — tzn. 6.

Zadanie 4:
Ponieważ w cząsteczce dwa atomy azotu, tę dwójkę trzeba uwzględnić w bilansie elektronowym — tzn. przed magnezem musi być współczynnik .

Zadanie 5:
Jeśli środowisko jest zasadowe, to fosfor będzie istnieć w postaci soli — fosforanu potasu.
Jeśli środowisko jest kwaśne, to fosfina przechodzi w kwas fosforowy.

Zadanie 6:
Ponieważ cynk — metal amfoteryczny, w zasadowym roztworze tworzy hydroksokompleks. W wyniku ustalania współczynników okazuje się, że woda musi znajdować się po lewej stronie reakcji:

Zadanie 7:
Elektrony oddają dwa atomy w cząsteczce alkenu. Dlatego musimy uwzględnić całkowitą liczbę elektronów oddanych przez całą cząsteczkę:
(zimny roztwór)

Zauważ, że z 10 jonów potasu 9 rozdziela się między dwie sole, stąd powstaje tylko jedna cząsteczka zasady.

Zadanie 8:

W trakcie układania bilansu widzimy, że na 2 jony przypada 3 aniony siarczanowe. Zatem oprócz siarczanu potasu powstaje jeszcze kwas siarkowy (2 cząsteczki).

Zadanie 9:
(permanganian nie jest bardzo silnym utleniaczem w roztworze; zwróć uwagę, że woda przechodzi w procesie równoważenia na prawą stronę!)
(stężony) (stężony kwas azotowy jest bardzo silnym utleniaczem)

Zadanie 10:
Nie zapomnij, że mangan przyjmuje elektrony, przy czym chlor musi je oddać. Chlor wydziela się jako prosta substancja.

Zadanie 11:
Im wyżej w podgrupie niemetal, tym bardziej aktywny utleniacz, więc chlor w tej reakcji będzie utleniaczem. Jod przechodzi do najbardziej stabilnego dla niego dodatniego stopnia utlenienia , tworząc kwas jodowy.

Zadanie 12:
(nadtlenek — utleniacz, bo rola reduktora jest mu mniej typowa → przechodzi w wodę)
(nadtlenek — reduktor, bo utleniacz — permanganian potasu)
(nadtlenek — utleniacz, bo rola reduktora bardziej typowa dla azoty — nitryt, który dąży do azotanu)

Zadanie 13:

Zadanie 14:
W cząsteczce z trzema atomami żelaza tylko jeden ma ładunek . On utlenia się do .

Zadanie 15:
Całkowity ładunek cząstki w nadtlenku potasu wynosi . Zatem może oddać tylko .

Zadanie 16:
(roztwór wodny)
(środowisko zasadowe)
(roztwór wodny)
(środowisko kwaśne)