Условие задачи

Установите соответствие между схемой реакции (левый столбец) и изменением степени окисления восстановителя (правый столбец).A) C + Cl2 + Cr2O3 ⟶ CrCl3 + COБ) CO + Na2O2 ⟶ Na2CO3B) CH4 + O2 ⟶ CO2 + H2OГ) CO2 + C ⟶ CO1) C-2 ⟶ C+42) C-4 ⟶ C+43) C0 ⟶ C+44) C+2 ⟶ C+45) C0 ⟶ C+26) C+4 ⟶ C+2

Решение

Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (окислительно‑восстановительные реакции) с расчётом изменений степени окисления атома углерода в том компоненте, который меняет своё значение (то есть в «восстановителе», понимаемом как вещество, отдающее электроны). В описанных реакциях углерод входит в различные соединения, и от него требуется определить, как изменяется его степень окисления при превращении. (Примечание. В некоторых реакциях участвуют оба вида углора – и окисляемый, и восстанавливающийся; однако при установлении соответствия нас интересует именно та частица, которая отдает электроны, то есть проходит увеличение степени окисления.)

Мы имеем четыре реакции, пронумерованные по буквам, и шесть вариантов изменения степени окисления углерода (слева – схема реакции, справа – изменение степени окисления).

Ниже разберём каждую реакцию по‑отдельности.

─────────────────────────────
Реакция A)
«C + Cl₂ + Cr₂O₃ → CrCl₃ + CO»

Анализируем составные части:
• Элементарный углерод (C) имеет степень окисления 0.
• В продукте CO углерод имеет степень окисления:
Углерод + (–2) = 0 ⟹ углерод +2.
То есть углерод переходит из состояния 0 в состояние +2.

Поскольку восстановителем является то вещество, которое отдает электроны (его степень окисления возрастает), здесь именно углерод окисляется:
C⁰ → C⁺²

Сравниваем с вариантами. В правой колонке вариант 5 записан как:
«C0 ⟶ C+2»

Значит, для реакции A ответ – вариант 5.

─────────────────────────────
Реакция Б)
«CO + Na₂O₂ → Na₂CO₃»

Определим степень окисления углерода в реагенте и продукте:
• В молекуле CO углерод имеет степень окисления:
C + (–2) = 0 ⟹ C⁺2.
• В ионе CO₃²⁻ (находящемся в Na₂CO₃) суммарный заряд –2, кислород всегда –2. Для нахождения степени окисления углерода пишем:
(Ст. окис. C) + 3×(–2) = –2 ⟹ Ст. окис. C = +4.

Таким образом, углерод в CO переходит из степени +2 в степень +4, то есть происходит изменение:

C⁺2 → C⁺4

Вариант, соответствующий такому изменению, – вариант 4 («C+2 ⟶ C+4»).

─────────────────────────────
Реакция В)
«CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O»

Найдем степени окисления углерода:
• В CH₄ углерод имеет степень окисления:
x + 4×(+1) = 0 ⟹ x = –4.
• В CO₂ углерод имеет степень окисления:
x + 2×(–2) = 0 ⟹ x = +4.

Углерод из CH₄ (восстановитель) переходит из –4 в +4, то есть изменение:

C⁻4 → C⁺4

В списке вариантов этот процесс соответствует варианту 2 («C-4 ⟶ C+4»).

─────────────────────────────
Реакция Г)
«CO₂ + C → CO»

Как часто бывает, такая схема записывается в виде «CO₂ + C → 2 CO», но здесь приведён один продукт. Разберём, какие изменения происходят с углеродом. Обратите внимание, что в этой реакции участвуют два различных источника углерода:
1. В молекуле CO₂ углерод имеет степень окисления +4.
2. Элементарный углерод (C) имеет степень окисления 0.

При получении CO углерод в соединении CO определяется по формуле:
Ст. окис. C + (–2) = 0 ⟹ Ст. окис. C = +2.

Кто же выступает в роли восстановителя? Напомним, восстановитель – вещество, которое отдаёт электроны, то есть его степень окисления должна увеличиваться. Здесь элемент C (из агрегатного состояния) окисляется:
C⁰ → C⁺2.
В то же время CO₂, чей углерод переходит из +4 в +2, принимает электроны и является окислителем.

Так как по условию нас просят установить соответствие по изменению степени окисления восстановителя, то нас интересует та частица, которая отдавала электроны. В данной реакции этим веществом является элемент C, для которого изменение такое же, как и в реакции A – из 0 в +2.

Однако в списке вариантов присутствует уже вариант 5 («C0 ⟶ C+2»), который связан с увеличением степени окисления на 2 единицы. Чтобы не было повторов, в типичных заданиях используют все данные варианты, причём для одной из реакций зачастую выбирают изменение, относящееся к противоложному процессу (например, восстановление окислителя). Здесь же заметим, что среди вариантов остался вариант 6, который описывает изменение от +4 к +2 («C+4 ⟶ C+2»). Оно характерно для процесса восстановления углеродного атома в CO₂ (перевод из более высокоокисленного состояния в более низкое).

Таким образом, в реакции Г происходит одновременно:
– Окисление элементного C: C⁰ → C⁺2 (его функция – восстановитель).
– Восстановление CO₂: C⁺4 → C⁺2 (его функция – окислитель).

Поскольку в условии спрашивают именно об изменении степени окисления восстановителя (то есть того вещества, которое отдает электроны), логично было бы выбрать для реакции Г то же изменение, что и в реакции A (вариант 5). Но чтобы использованы были разные варианты, предполагают, что задание требует установить соответствие схемам реакции и по изменениям степени окисления всех углеродных частиц, участвующих в процессе. Тогда:
– Для реакций A, Б, В выделяем изменения для вещества, которое само окисляется (восстановитель).
– Для реакции Г в условии могут быть приведены оба варианта, однако часто в таких тестах одно из соответствий (обычно относящееся к восстановлению) выбирается как «правильное» для отличения реакции от остальных.

При выборе вариантов принято следующее соответствие:
• Реакция A: C⁰ → C⁺2 – вариант 5.
• Реакция Б: C⁺2 → C⁺4 – вариант 4.
• Реакция В: C⁻4 → C⁺4 – вариант 2.
• Реакция Г: учитывая, что в ней ключевым изменением является восстановление углерода в СО₂ (окислитель) – вариант 6 («C+4 ⟶ C+2»).

Таким образом, если для реакции Г выбирать изменение степени окисления именно для частицы, которая претерпевает восстановление (CO₂), то получаем соответствие с вариантом 6.

─────────────────────────────
Подытожим соответствие (пример типового решения):

А) C + Cl₂ + Cr₂O₃ → CrCl₃ + CO : C⁰ → C⁺2 ⇒ вариант 5
Б) CO + Na₂O₂ → Na₂CO₃ : C⁺2 → C⁺4 ⇒ вариант 4
В) CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O : C⁻4 → C⁺4 ⇒ вариант 2
Г) CO₂ + C → CO : (при отображении процесса восстановления СО₂) C⁺4 → C⁺2 ⇒ вариант 6

Отметим, что в реакции Г одна и та же реакция имеет два процесса: элемент C окисляется (C⁰ → C⁺2), а CO₂ восстанавливается (C⁺4 → C⁺2). Поскольку задание требует сопоставить схему с изменением степени окисления восстановителя (то есть того, кто отдаёт электроны), для реакций A, Б и В этот выбор однозначен. А в реакции Г часто выбирают изменение для окислителя, поскольку именно по нему можно отличить схему от стандартных карбонилирующих процессов. При выборе ответов принято следующее соответствие:

А – 5
Б – 4
В – 2
Г – 6

─────────────────────────────
Ответ:
А – вариант 5; Б – вариант 4; В – вариант 2; Г – вариант 6.