Метод електронного балансу

Зрівнювати складні окисно-відновні реакції (ОВР) простим підбором коефіцієнтів — справа довга й ненадійна. У реакціях, де кілька елементів змінюють ступінь окиснення або де частина реагенту витрачається на утворення солі, метод підбору часто заводить у глухий кут. Метод електронного балансу дає чіткий алгоритм, що спирається на фундаментальне правило: число електронів, відданих відновником, дорівнює числу електронів, приєднаних окисником.

Кроки методу електронного балансу

1. Визнач ступені окиснення всіх елементів у реагентах і продуктах.

2. Знайди елементи, які змінюють ступінь окиснення.

3. Склади електронні рівняння окиснення (відновник віддає електрони) і відновлення (окисник приєднує електрони).

4. Знайди найменше спільне кратне (НСК) чисел відданих і приєднаних електронів.

5. Поділи НСК на число електронів кожного процесу — отримаєш множники. Ці множники стають коефіцієнтами перед окисником, відновником і продуктами їхніх перетворень.

6. Дозрівняй атоми, що не змінюють ступеня окиснення: спершу метали й кислотні залишки, потім Гідроген.

7. Перевір правильність за кількістю атомів Оксигену в лівій і правій частинах.

Простий приклад: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Записуємо ступені окиснення: Fe₂⁺³O₃ + C⁺²O → Fe⁰ + C⁺⁴O₂. Ферум відновлюється (Fe⁺³ → Fe⁰), Карбон окиснюється (C⁺² → C⁺⁴).

Електронні рівняння:

Fe⁺³ + 3e⁻ → Fe⁰ | 2

C⁺² − 2e⁻ → C⁺⁴ | 3

НСК чисел 3 і 2 дорівнює 6. Множник для Fe: 6 : 3 = 2. Множник для C: 6 : 2 = 3. Підставляємо множники як коефіцієнти: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Сума коефіцієнтів: 1 + 3 + 2 + 3 = 9.

Приклад з молекулою кисню: NH₃ + O₂ → NO + H₂O (каталізатор Pt)

N⁻³H₃ + O₂⁰ → N⁺²O⁻² + H₂O⁻². Нітроген окиснюється (N⁻³ → N⁺²), Оксиген відновлюється (O₂⁰ → 2O⁻²).

Електронні рівняння:

N⁻³ − 5e⁻ → N⁺² | 4

O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 5

НСК чисел 5 і 4 дорівнює 20. Множник для N: 20 : 5 = 4. Множник для O₂: 20 : 4 = 5. Зрівняне рівняння: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O. Сума коефіцієнтів: 4 + 5 + 4 + 6 = 19.

Коли ти складаєш електронне рівняння, важливо враховувати індекс у формулі простої речовини. Електрони віддає або приєднує не один атом, а вся частинка. Тому в електронному рівнянні записують формулу з індексом і рахують сумарну зміну заряду.

Прості речовини-молекули

Приклад: H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O

Ступені окиснення: H₂S⁻² + O₂⁰ → S⁺⁴O₂ + H₂O. Сульфур окиснюється (S⁻² → S⁺⁴), Оксиген відновлюється (O₂⁰ → 2O⁻²). Зверни увагу: Оксиген відновлюється і в SO₂, і в H₂O.

Електронні рівняння:

S⁻² − 6e⁻ → S⁺⁴ | 2

O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 3

НСК чисел 6 і 4 дорівнює 12. Множник для S: 12 : 6 = 2. Множник для O₂: 12 : 4 = 3. Зрівняне рівняння: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O. Сума коефіцієнтів: 2 + 3 + 2 + 2 = 9.

Спільний дільник і зведення множників

Якщо числа електронів в обох процесах мають спільний дільник, множники треба звести до найменших цілих чисел. Наприклад, у реакції Cu + H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂ + H₂O:

Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 1

S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ | 1

НСК чисел 2 і 2 дорівнює 2. Множники: 2 : 2 = 1 для обох процесів. Зрівняне рівняння: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 2 + 1 + 1 + 2 = 7.

Порядок розставлення множників

Множники спершу ставлять перед продуктами окиснення й відновлення (Cu(NO₃)₂, NO, Cl₂ тощо). Коефіцієнт перед реагентом, частина якого не змінює ступеня окиснення, знаходять після підрахунку всіх атомів цього елемента в продуктах. Це особливо важливо, коли кислота виконує дві ролі — окисника й джерела кислотних залишків.

У багатьох ОВР нітратна кислота (HNO₃) або концентрована сульфатна кислота (H₂SO₄) виконують дві ролі: частина молекул витрачається на окиснення (відновлюється), а частина дає кислотні залишки для утворення солі. Це називають солетворною частиною кислоти. Загальний коефіцієнт перед кислотою дорівнює сумі молекул-окисників і молекул, що пішли на сіль.

Мідь з розведеною нітратною кислотою

Cu + HNO₃(розв.) → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 3

N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² | 2

НСК чисел 2 і 3 дорівнює 6. Множник для Cu: 6 : 2 = 3. Множник для N: 6 : 3 = 2. Отже, 2 молекули HNO₃ виконують роль окисника (відновлюються до NO). Але в продукті утворюється 3Cu(NO₃)₂, тобто потрібно 6 нітрат-йонів NO₃⁻, які не змінюють ступеня окиснення. Ці 6 молекул HNO₃ — солетворна частина. Загальний коефіцієнт перед HNO₃: 2 (окисник) + 6 (сіль) = 8.

Зрівняне рівняння: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O. Сума коефіцієнтів: 3 + 8 + 3 + 2 + 4 = 20.

Мідь з концентрованою нітратною кислотою

Cu + HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O

Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 1

N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴ | 2

НСК чисел 2 і 1 дорівнює 2. Множник для Cu: 2 : 2 = 1. Множник для N: 2 : 1 = 2. Окисником є 2 молекули HNO₃ (відновлюються до NO₂). Для 1Cu(NO₃)₂ потрібно 2 нітрат-йони — це ще 2 молекули HNO₃. Загальний коефіцієнт: 2 + 2 = 4.

Зрівняне рівняння: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 4 + 1 + 2 + 2 = 10.

Магній з концентрованою сульфатною кислотою

Mg + H₂SO₄(конц.) → MgSO₄ + H₂S + H₂O

Mg⁰ − 2e⁻ → Mg⁺² | 4

S⁺⁶ + 8e⁻ → S⁻² | 1

НСК чисел 2 і 8 дорівнює 8. Множник для Mg: 8 : 2 = 4. Множник для S: 8 : 8 = 1. Окисником є 1 молекула H₂SO₄ (відновлюється до H₂S). Для 4MgSO₄ потрібно 4 сульфат-йони — це ще 4 молекули H₂SO₄. Загальний коефіцієнт: 1 + 4 = 5.

Зрівняне рівняння: 4Mg + 5H₂SO₄ → 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O. Сума коефіцієнтів: 4 + 5 + 4 + 1 + 4 = 18.

Нітроген у двох ролях: Zn + HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O

У цій реакції Нітроген виступає і в ролі окисника (N⁺⁵ + 8e⁻ → N⁻³, утворюючи катіон NH₄⁺), і в ролі елемента, що не змінює ступеня окиснення (NO₃⁻ у солях Zn(NO₃)₂ та NH₄NO₃).

Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺² | 4

N⁺⁵ + 8e⁻ → N⁻³ | 1

Множник для Zn: 4, для N (окисника): 1. У продукті 4Zn(NO₃)₂ — це 8 нітрат-йонів, і 1NH₄NO₃ — ще 1 нітрат-йон. Разом 9 молекул HNO₃ дають кислотні залишки. Додаємо 1 молекулу-окисник: загальний коефіцієнт 10.

Зрівняне рівняння: 4Zn + 10HNO₃ → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O. Сума коефіцієнтів: 4 + 10 + 4 + 1 + 3 = 22.

Ще один приклад: Mg + HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

Mg⁰ − 2e⁻ → Mg⁺² | 4

2N⁺⁵ + 8e⁻ → N₂⁺¹ | 1

Множник для Mg: 4, для N₂ (окисника): 1. У продукті 4Mg(NO₃)₂ — це 8 нітрат-йонів. Додаємо 2 молекули HNO₃-окисника (які дають N₂O): загальний коефіцієнт 10.

Зрівняне рівняння: 4Mg + 10HNO₃ → 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O. Сума коефіцієнтів: 4 + 10 + 4 + 1 + 5 = 24.

Загальне правило: коефіцієнт перед кислотою = молекули-окисники (з електронного балансу) + молекули, що дали кислотні залишки для солі. Продукти кожної пари «метал — кислота» пояснюють окремі уроки про нітратну й концентровану сульфатну кислоти; тут схему з продуктами завжди задано в умові завдання.

Аналогічна ситуація виникає, коли відновник (наприклад, HCl) частково окиснюється, а частково дає хлорид-йони для утворення солі. Тоді загальний коефіцієнт перед відновником теж більший за множник з електронного балансу.

MnO₂ + HCl(конц.) → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Ступені окиснення: Mn⁺⁴O₂ + H⁺Cl⁻¹ → Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰ + H₂O. Манган відновлюється (Mn⁺⁴ → Mn⁺²), Хлор окиснюється (Cl⁻¹ → Cl₂⁰).

Електронні рівняння:

Mn⁺⁴ + 2e⁻ → Mn⁺² | 1

2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰ | 1

НСК чисел 2 і 2 дорівнює 2. Множники: 2 : 2 = 1 для обох процесів. Отже, 2 молекули HCl виконують роль відновника (окиснюються до Cl₂). Але в продукті утворюється MnCl₂ — для нього потрібно ще 2 хлорид-йони, тобто ще 2 молекули HCl, які не змінюють ступеня окиснення. Загальний коефіцієнт перед HCl: 2 + 2 = 4.

Зрівняне рівняння: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 4 + 1 + 1 + 2 = 9.

KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Це класичний приклад, де HCl виступає і відновником, і джерелом хлорид-йонів для солей.

Ступені окиснення: KMn⁺⁷O₄ + H⁺Cl⁻¹ → K⁺Cl⁻¹ + Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰ + H₂O. Манган відновлюється (Mn⁺⁷ → Mn⁺²), Хлор окиснюється (Cl⁻¹ → Cl₂⁰).

Електронні рівняння:

Mn⁺⁷ + 5e⁻ → Mn⁺² | 2

2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰ | 5

НСК чисел 5 і 2 дорівнює 10. Множник для Mn: 10 : 5 = 2. Множник для Cl₂: 10 : 2 = 5. Отже, 10 молекул HCl виконують роль відновника (окиснюються до 5Cl₂). Але в продуктах є 2KCl (2 хлорид-йони) і 2MnCl₂ (4 хлорид-йони) — разом 6 хлорид-йонів, які не змінюють ступеня окиснення. Це ще 6 молекул HCl. Загальний коефіцієнт: 10 + 6 = 16.

Зрівняне рівняння: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. Сума коефіцієнтів: 2 + 16 + 2 + 2 + 5 + 8 = 35.

Перевірка правильності

Після того як розставив усі коефіцієнти, обов'язково перевір:

• Порахуй атоми кожного елемента в лівій і правій частинах.

• Окремо перевір Оксиген: його кількість зліва і справа має збігатися.

• Якщо Оксиген не зійшовся — шукай помилку в числі електронів або в солетворній частині.

У реакції KMnO₄ + HCl з 16 молекул HCl лише 10 є відновником. Решта 6 молекул дають хлорид-йони для KCl і MnCl₂, не змінюючи ступеня окиснення Хлору.

Нижче розібрано чотири типові завдання НМТ на метод електронного балансу. Кожне має повне покрокове розв'язання.

Приклад 1. Коефіцієнт перед окисником

Укажіть коефіцієнт перед формулою окисника в рівнянні Zn + H₂SO₄(конц.) → ZnSO₄ + S + H₂O.

Крок 1. Визначаємо ступені окиснення: Zn⁰ + H₂S⁺⁶O₄ → Zn⁺²SO₄ + S⁰ + H₂O. Цинк окиснюється (Zn⁰ → Zn⁺²), Сульфур відновлюється (S⁺⁶ → S⁰).

Крок 2. Електронні рівняння:

Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺² | 3

S⁺⁶ + 6e⁻ → S⁰ | 1

НСК чисел 2 і 6 дорівнює 6. Множник для Zn: 6 : 2 = 3. Множник для S: 6 : 6 = 1.

Крок 3. Окисником є H₂SO₄. За електронним балансом множник 1 — це молекула H₂SO₄, що відновлюється до S. Але в продукті є 3ZnSO₄ — для них потрібно ще 3 сульфат-йони, тобто 3 молекули H₂SO₄, які не змінюють ступеня окиснення. Загальний коефіцієнт перед H₂SO₄: 1 + 3 = 4.

Зрівняне рівняння: 3Zn + 4H₂SO₄ → 3ZnSO₄ + S + 4H₂O.

Ключ: 4.

Чому інші варіанти неправильні:

• 1 — це лише множник з електронного балансу, без урахування солетворної частини.

• 3 — це коефіцієнт перед відновником (Zn), а не перед окисником.

• 15 — це сума всіх коефіцієнтів у рівнянні (3 + 4 + 3 + 1 + 4 = 15), а не коефіцієнт перед окисником.

Приклад 2. Сума коефіцієнтів

Укажіть суму коефіцієнтів у рівнянні Mg + HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + N₂O + H₂O.

Крок 1. Ступені окиснення: Mg⁰ + HN⁺⁵O₃ → Mg⁺²(NO₃)₂ + N₂⁺¹O + H₂O. Магній окиснюється, Нітроген відновлюється (N⁺⁵ → N⁺¹).

Крок 2. Електронні рівняння:

Mg⁰ − 2e⁻ → Mg⁺² | 4

2N⁺⁵ + 8e⁻ → N₂⁺¹ | 1

НСК чисел 2 і 8 дорівнює 8. Множник для Mg: 8 : 2 = 4. Множник для N₂: 8 : 8 = 1.

Крок 3. Окисником є 2 молекули HNO₃ (вони дають N₂O). У продукті 4Mg(NO₃)₂ — це 8 нітрат-йонів, тобто 8 молекул HNO₃, що не змінюють ступеня окиснення. Загальний коефіцієнт перед HNO₃: 2 + 8 = 10.

Зрівняне рівняння: 4Mg + 10HNO₃ → 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O.

Сума коефіцієнтів: 4 + 10 + 4 + 1 + 5 = 24.

Ключ: 24.

Чому інші варіанти неправильні:

• 16 — взяли коефіцієнт перед HNO₃ лише 2 (забули солетворну частину) і не врахували всі продукти.

• 23 — пропустили коефіцієнт 1 перед N₂O (сума 4 + 10 + 4 + 1 + 5 = 24, а без 1 виходить 23).

• 29 — зрівняли так, ніби продукт відновлення — N₂, а не N₂O.

Приклад 3. Скільки молекул HCl — відновник?

Скільки молекул HCl із 16 виконують роль відновника в реакції 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O?

Роль відновника виконують ті молекули HCl, у яких Хлор змінює ступінь окиснення (Cl⁻¹ → Cl₂⁰). У продукті утворилося 5 молекул Cl₂, а це 10 атомів Хлору, що змінили ступінь окиснення. Кожна молекула HCl містить 1 атом Хлору, тому відновником є 10 молекул HCl.

Ключ: 10.

Чому інші варіанти неправильні:

• 16 — усі молекули HCl беруть участь, але 6 із них не змінюють ступеня окиснення Хлору (вони дають хлорид-йони для KCl і MnCl₂).

• 5 — це коефіцієнт перед Cl₂, а не число молекул-відновників.

• 6 — це солетворна частина HCl (ті молекули, що дають хлорид-йони для солей), а не відновник.

Приклад 4. Сума коефіцієнтів (NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O)

Укажіть суму коефіцієнтів у рівнянні NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O.

Крок 1. Ступені окиснення: N⁻³H₃ + O₂⁰ → N₂⁰ + H₂O. Нітроген окиснюється (N⁻³ → N₂⁰), Оксиген відновлюється (O₂⁰ → 2O⁻²).

Крок 2. Електронні рівняння:

2N⁻³ − 6e⁻ → N₂⁰ | 2

O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 3

НСК чисел 6 і 4 дорівнює 12. Множник для N₂: 12 : 6 = 2. Множник для O₂: 12 : 4 = 3.

Зрівняне рівняння: 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O.

Сума коефіцієнтів: 4 + 3 + 2 + 6 = 15.

Ключ: 15.

Чому інші варіанти неправильні:

• 19 — це сума для окиснення NH₃ до NO (4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O), а не до N₂.

• 17 — множник 4 поставили й перед N₂, забувши, що N₂ має індекс 2 (тобто 4NH₃ дають 2N₂, а не 4N₂).

• 10 — перед водою лишили коефіцієнт 1 замість 6.

Нижче зібрано найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час розставлення коефіцієнтів методом електронного балансу. Уважно прочитай їх, щоб не втратити бали на НМТ.

• Беруть коефіцієнт перед HNO₃ чи H₂SO₄ прямо з електронного балансу й забувають солетворну частину. Наприклад, у реакції 3Cu + 8HNO₃ окисником є лише 2 молекули з 8. Решта 6 дають нітрат-йони для солі. Правильно: загальний коефіцієнт = молекули-окисники + молекули на сіль.

• Не враховують індекс простої речовини в електронному рівнянні. Пишуть O⁰ + 2e⁻ замість O₂⁰ + 4e⁻, або Cl⁻¹ − 1e⁻ → Cl⁰ замість 2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰. Пам'ятай: електрони рахують на всю молекулу.

• Неправильно визначають ступінь окиснення в продукті. Наприклад, у NH₄NO₃ Нітроген має ступінь окиснення −3 у катіоні NH₄⁺ і +5 в аніоні NO₃⁻. Це різні атоми Нітрогену з різними ступенями окиснення.

• Ставлять «свій» множник замість правильного. Множник процесу — це НСК, поділене на число електронів цього процесу, а не саме це число. Наприклад, для 2e⁻ і 6e⁻ НСК = 6, множники: 6 : 2 = 3 і 6 : 6 = 1, а не 2 і 6.

• Дозрівнюють Гідроген і Оксиген раніше, ніж метали й кислотні залишки, і «ламають» уже знайдені коефіцієнти. Правильний порядок: спершу метали й кислотні залишки, потім Гідроген, перевірка за Оксигеном.

• Не зводять коефіцієнти до найменших цілих чисел. Наприклад, якщо обидва множники дорівнюють 2, їх треба скоротити до 1. Також пропускають коефіцієнт 1 у сумі — його обов'язково враховують.

Метод електронного балансу входить до теми 1.2 програми НМТ — «Застосовувати метод електронного балансу для зрівнювання окисно-відновних реакцій». Крім того, тема 2.1.1 вимагає складати рівняння реакцій нітратної й концентрованої сульфатної кислот з магнієм, цинком і міддю — а це саме ті випадки, де кислота виступає одночасно окисником і джерелом солі.

Формат завдань

• Завдання № 1–18 — вибір однієї відповіді з чотирьох (0 або 1 бал). У них можуть питати коефіцієнт перед окисником чи відновником або суму коефіцієнтів у зрівняному рівнянні. Неправильні варіанти можуть відповідати типовим помилкам — пропущеній солетворній частині чи незведеним множникам.

• Задачі № 22–24 оцінюють у 0 або 2 бали без часткових балів; у демоваріанті 2026 року № 23 і 24 розв'язували за рівняннями реакцій. Якщо коефіцієнт в ОВР визначено неправильно, кінцева відповідь теж буде неправильною.

Що треба знати

• Ні умова завдання, ні довідкові матеріали НМТ не підказують ступенів окиснення елементів у сполуках — їх визначаєш самостійно. Рядки «Вищі оксиди» й «Леткі сполуки з Гідрогеном» у періодичній системі підказують лише найвищий і найнижчий ступені.

• Стратегія: спершу зроби повний електронний баланс у чернетці, потім дозрівняй решту атомів і обов'язково перевір за Оксигеном перед тим, як обирати відповідь.

• Якщо в завданні питають суму коефіцієнтів, не забудь додати всі коефіцієнти, зокрема 1 (одиницю).

• Число електронів, відданих відновником, дорівнює числу електронів, приєднаних окисником.

• В електронних рівняннях враховуй число атомів у молекулі: O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻², 2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰.

• Множники з НСК — це коефіцієнти перед окисником, відновником і продуктами їхніх перетворень.

• Кислота буває окисником і водночас дає сіль — її загальний коефіцієнт більший за множник з балансу.

• Порядок дозрівнювання: метали й кислотні залишки → Гідроген → перевірка за Оксигеном.

• Мідь з розведеною HNO₃: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O — сума коефіцієнтів 20.