Задание 15 ОГЭ по химии: окислительно-восстановительные реакции

Что проверяет задание

Задание 15 ОГЭ по химии проверяет умение определять степени окисления элементов и понимать суть окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Нужно уметь находить в уравнении реакции окислитель и восстановитель, а также определять их роль — кто отдаёт электроны, кто принимает, а кто может выступать в обеих ролях одновременно.

Задание проверяет три взаимосвязанных навыка:

• расстановку степеней окисления элементов в формулах веществ;
• понимание того, что окислитель — это вещество, снижающее степень окисления (принимает электроны), а восстановитель — повышающее (отдаёт электроны);
• умение сопоставлять несколько схем реакций с характеристиками участников (установление соответствия).

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Установите соответствие между схемой процесса и веществом-восстановителем (или ролью элемента) в окислительно-восстановительной реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой».

Даются три уравнения или схемы реакций (А, Б, В) и список из 4–5 вариантов ответа (веществ или ролей). Нужно записать в ответе три цифры без пробелов, например «134» или «211», в порядке, соответствующем буквам А, Б, В.

Задание оценивается в 2 балла: 2 балла — за полностью правильный ответ (все три соответствия верны), 1 балл — если верно определены два из трёх соответствий, 0 баллов — если верно определено не более одного соответствия или дан неверный ответ. Обратный порядок цифр (например, вместо «134» указано «431») засчитывается как ошибка — важна именно последовательность А-Б-В.

Что нужно знать

• Степень окисления (СО) — условный заряд атома в соединении, если считать все связи ионными.
• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю: $\sum СО = 0$.
• Сумма степеней окисления в ионе равна заряду иона.
• Степень окисления кислорода в большинстве соединений $-2$ (кроме пероксидов, где $-1$, и $OF_2$, где $+2$).
• Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами $+1$, в гидридах металлов $-1$.
• Степень окисления простого вещества (одного элемента) равна нулю: $Cl_2^0$, $Al^0$, $S^0$.
• Металлы главных подгрупп I и II групп имеют постоянную степень окисления $+1$ и $+2$ соответственно.
• Окислитель — вещество, атом которого понижает степень окисления в ходе реакции (принимает электроны, восстанавливается).
• Восстановитель — вещество, атом которого повышает степень окисления (отдаёт электроны, окисляется).
• Если один и тот же элемент в реакции одновременно и повышает, и понижает степень окисления (реакция диспропорционирования), вещество является и окислителем, и восстановителем одновременно.
• Если степень окисления элемента не меняется, вещество не является ни окислителем, ни восстановителем — оно просто участвует в обменном процессе.
• Число электронов, отданных восстановителем, всегда равно числу электронов, принятых окислителем (закон сохранения заряда).

Методы решения

Метод 1. Расстановка степеней окисления по правилам. Для каждого атома в формуле определяем СО, используя известные (кислород, водород, металлы I–II групп), а затем находим неизвестную по правилу суммы. Пример: в $H_2S$ водород $+1$, значит сера $2\cdot(+1) + x = 0 \Rightarrow x = -2$.

Метод 2. Сравнение степеней окисления до и после реакции. Выписываем СО одного и того же элемента в левой и правой части уравнения и смотрим, увеличилась она или уменьшилась. Пример: в реакции $Cl_2 + F_2 \to$ хлор из $0$ переходит в $+1$ (в соединении с более электроотрицательным фтором) — степень окисления растёт, значит хлор отдаёт электроны и является восстановителем.

Метод 3. Определение диспропорционирования. Если элемент в исходном веществе имеет промежуточную степень окисления, а продукты содержат этот элемент и с более высокой, и с более низкой СО — вещество одновременно окислитель и восстановитель. Пример: $Cl_2 + H_2O \to HCl + HClO$ — хлор из $0$ переходит в $-1$ и $+1$ одновременно.

Метод 4. Анализ по электроотрицательности партнёра. Если элемент реагирует с более электроотрицательным партнёром — он окисляется (повышает СО, восстановитель). Если с менее электроотрицательным — он восстанавливается (понижает СО, окислитель). Пример: фосфор с кислородом ($P + O_2$) — кислород более электроотрицателен, фосфор повышает СО, значит фосфор — восстановитель.

Метод 5. Проверка через баланс электронов. Составляем электронный баланс: считаем, сколько электронов отдаёт восстановитель и сколько принимает окислитель, проверяем равенство. Пример: в $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$ сера отдаёт $2$ электрона на атом (переход $+4 \to +6$), кислород принимает по $2$ электрона на атом — баланс сходится.

Алгоритм решения по шагам

1. Для каждой схемы (А, Б, В) выписать формулы всех веществ — реагентов и продуктов.
2. В каждой формуле расставить степени окисления всех элементов, используя стандартные правила (кислород $-2$, водород $+1$, простые вещества $0$, сумма СО в молекуле равна нулю).
3. Сравнить степень окисления интересующего элемента (или элементов) в реагентах и продуктах.
4. Определить, какой элемент повысил СО (это восстановитель, он окисляется) и какой понизил (это окислитель, он восстанавливается).
5. Если элемент в одном веществе одновременно и повышает, и понижает СО — это случай диспропорционирования: вещество и окислитель, и восстановитель.
6. Если СО элемента не изменилась ни в одном из продуктов — вещество не является ни окислителем, ни восстановителем.
7. Сопоставить полученные роли или формулы с предложенным списком цифр и записать ответ строго в порядке букв А-Б-В.
8. Проверить финальный ответ: перечитать условие — что именно спрашивается (восстановитель, окислитель или роль конкретного элемента), чтобы не перепутать.

Разбор примеров

Пример 1.

Условие: установить соответствие между схемой реакции и формулой вещества-восстановителя.

Схемы: А) $H_2S + I_2 = S + 2HI$ Б) $3S + 2Al = Al_2S_3$ В) $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$

Шаг 1. Разбираем схему А. В $H_2S$ сера имеет СО $-2$ (так как водород $+1$, $2\cdot(+1)+x=0 \Rightarrow x=-2$). В продукте сера в свободном виде $S^0$. Степень окисления серы повысилась от $-2$ до $0$ — сера окислилась, значит $H_2S$ — восстановитель. Проверим йод: в $I_2$ СО йода $0$, в $HI$ — $-1$. Степень окисления понизилась, йод восстановился — это окислитель. Вывод: восстановитель в схеме А — $H_2S$, то есть цифра 1.

Шаг 2. Разбираем схему Б. В $S$ (простое вещество) сера имеет СО $0$. В продукте $Al_2S_3$ сера имеет СО $-2$ (алюминий $+3$, сумма: $2\cdot(+3)+3\cdot x=0 \Rightarrow x=-2$). Степень окисления серы понизилась — сера окислитель. Алюминий: в простом виде СО $0$, в продукте $+3$ — степень окисления повысилась, алюминий окислился, значит алюминий — восстановитель. Вывод: восстановитель в схеме Б — $Al$, цифра 3.

Шаг 3. Разбираем схему В. В $SO_2$ сера имеет СО $+4$ (кислород $-2$: $x + 2\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+4$). В продукте $SO_3$ сера имеет СО $+6$ ($x+3\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+6$). Степень окисления серы повысилась — сера окислилась, значит $SO_2$ — восстановитель. Кислород ($O_2$, СО $0$) переходит в СО $-2$ — понизилась, кислород — окислитель. Вывод: восстановитель в схеме В — $SO_2$, цифра 4.

Итоговый ответ: А-1, Б-3, В-4, то есть 134.

Пример 2.

Условие: определить роль хлора в трёх реакциях.

А) $Cl_2 + F_2 \to$ Б) $Cl_2 + I_2 \to$ В) $Cl_2 + NH_3 \to$

Шаг 1. Схема А: хлор реагирует с фтором. Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому в соединении с ним хлор всегда приобретает положительную степень окисления (например, $+1$ в $ClF$), а фтор остаётся при СО $-1$. Значит, хлор повышает СО от $0$ до положительного значения — хлор отдаёт электроны, он восстановитель. Ответ для А: 2.

Шаг 2. Схема Б: хлор реагирует с йодом. Хлор более электроотрицателен, чем йод, поэтому в соединении (например, $ICl$) хлор приобретает отрицательную СО $-1$, а йод — положительную. Степень окисления хлора понижается от $0$ до $-1$ — хлор принимает электроны, он окислитель. Ответ для Б: 1.

Шаг 3. Схема В: хлор реагирует с аммиаком $NH_3$. Азот в аммиаке имеет СО $-3$, водород $+1$. При взаимодействии с хлором происходит реакция замещения водорода на хлор (образуются $NH_2Cl$ или $N_2$ и $HCl$ в зависимости от условий), но принципиально важно, что хлор из СО $0$ переходит в СО $-1$ (в составе $HCl$) — то есть хлор понижает степень окисления, принимает электроны, выступает окислителем. Ответ для В: 1.

Итоговый ответ: А-2, Б-1, В-1, то есть 211.

Пример 3.

Условие: определить роль фосфора в трёх реакциях.

А) $P + O_2 \to$ Б) $P + Ca \to$ В) $P_2O_5 + K_2O \to$

Шаг 1. Схема А: фосфор реагирует с кислородом, образуя оксид (например, $P_2O_5$). В простом веществе фосфор имеет СО $0$, в оксиде — $+5$. Степень окисления повышается, фосфор отдаёт электроны кислороду — фосфор восстановитель. Ответ для А: 2.

Шаг 2. Схема Б: фосфор реагирует с кальцием, образуя фосфид кальция $Ca_3P_2$. В простом веществе фосфор — $0$, в фосфиде фосфор имеет отрицательную СО $-3$ (кальций $+2$: $3\cdot(+2)+2\cdot x=0 \Rightarrow x=-3$). Степень окисления понижается — фосфор принимает электроны от кальция, он окислитель. Ответ для Б: 1.

Шаг 3. Схема В: $P_2O_5 + K_2O \to$ — реакция кислотного оксида с основным оксидом, продукт — соль (фосфат калия $K_3PO_4$). Проверим степень окисления фосфора: в $P_2O_5$ фосфор $+5$ (кислород $-2$: $2x+5\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+5$), в $K_3PO_4$ фосфор также $+5$ (калий $+1$, кислород $-2$: $3\cdot(+1)+x+4\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+5$). Степень окисления фосфора не изменилась — реакция обменная (кислотно-основное взаимодействие), а не окислительно-восстановительная для фосфора. Ответ для В: 4 (ни окислитель, ни восстановитель).

Итоговый ответ: А-2, Б-1, В-4, то есть 214.

Типичные ошибки и ловушки

• Неверная расстановка степеней окисления кислорода и водорода. Часто забывают об исключениях: в пероксидах ($H_2O_2$) кислород имеет СО $-1$, а не $-2$; в гидридах активных металлов ($NaH$) водород $-1$, а не $+1$.
• Путаница между окислителем и восстановителем. Легко запомнить: окислитель сам восстанавливается (понижает СО), восстановитель сам окисляется (повышает СО). Полезная ассоциация — «окислитель окисляет других, а восстановитель восстанавливает других».
• Игнорирование реакций диспропорционирования. Если элемент одновременно повышает и понижает степень окисления в разных продуктах одной реакции, вещество нужно отнести к категории «и окислитель, и восстановитель», а не выбирать только одну роль.
• Забывают проверить, является ли реакция окислительно-восстановительной вообще. В обменных и кислотно-основных реакциях степени окисления не меняются — тогда правильный ответ «ни окислитель, ни восстановитель», а не один из активных вариантов.
• Ошибка в порядке записи ответа. Цифры нужно указывать строго в порядке букв А-Б-В, а не в порядке, который «кажется логичным». Перепутанный порядок обесценивает правильно найденные соответствия.
• Расчёт степени окисления без учёта индексов. При составлении уравнения суммы степеней окисления важно умножать СО на число атомов элемента в формуле, а не забывать про индексы (особенно в сложных формулах типа $Al_2S_3$ или $K_3PO_4$).
• Путают простое вещество с ионом того же элемента. Степень окисления элемента в свободном виде (например, $Cl_2$, $S$, $P$) всегда равна нулю независимо от того, сколько атомов в молекуле.

Как готовиться

Для уверенного решения задания 15 нужно довести до автоматизма расстановку степеней окисления — начните с простых бинарных соединений (оксиды, гидриды, галогениды), затем переходите к более сложным формулам с несколькими элементами. Полезно завести таблицу с постоянными степенями окисления (щелочные металлы $+1$, щёлочноземельные $+2$, кислород обычно $-2$, водород обычно $+1$) и держать её перед глазами при тренировке.

Решайте разнообразные схемы реакций: простые вещества с кислородом, металлы с неметаллами, оксиды с оксидами, реакции галогенов между собой. Обращайте особое внимание на реакции, где один элемент может проявлять разные степени окисления в зависимости от партнёра — именно такие случаи чаще всего используются в заданиях с установлением соответствия.

После расстановки степеней окисления обязательно проверяйте себя вопросом: «Эта реакция вообще окислительно-восстановительная?» Если степени окисления элементов не изменились, отвечайте «ни окислитель, ни восстановитель» — это отдельная и частая ловушка задания.

Тренируйтесь на заданиях из открытого банка ФИПИ и вариантах прошлых лет — формулировки и структура задания стабильны из года в год, поэтому чем больше разных схем разберёте, тем быстрее и точнее будете определять роли веществ на экзамене. Решайте задания на время, чтобы приучить себя быстро находить нужные степени окисления без длинных вычислений на бумаге.