§ 30. В окислительно-восстановительных реакциях изменяются степени окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный так, будто общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательным атомам. Это не всегда реальный заряд: например, в молекуле воды связь ковалентная, но условный расчёт помогает распределить электроны между атомами. Степени окисления записывают со знаком перед числом, например +2 или −1. Они нужны, чтобы отслеживать перераспределение электронов в реакции.

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой меняются степени окисления атомов. Чтобы проверить, относится ли реакция к ОВР, сравнивают степени окисления элементов в реагентах и продуктах. Если значения остались прежними, одного лишь изменения состава веществ недостаточно, чтобы назвать реакцию окислительно-восстановительной. Это определение помогает отличать ОВР от других химических реакций.

Окисление — процесс, при котором степень окисления элемента повышается; ему соответствует отдача электронов. Например, переход Zn⁰ в Zn²⁺ означает, что атом цинка отдал два электрона. Рост числа со знаком или уменьшение отрицательного значения в обоих случаях указывает на окисление. Понятие нужно, чтобы определить, какая частица отдаёт электроны в реакции.

Восстановление — процесс, при котором степень окисления понижается; ему соответствует принятие электронов. Так, переход Cu²⁺ в Cu⁰ означает, что ион меди принял два электрона. Снижение степени окисления показывает, какая частица принимает электроны. Вместе с понятием окисления оно позволяет описать обе стороны переноса электронов.

Как это устроено

Степени окисления находят по нескольким правилам. У атомов в простых веществах, например Zn и O₂, она равна нулю; у одноатомного иона — заряду иона. В соединениях обычно принимают, что кислород имеет степень окисления −2, а водород +1, после чего неизвестное значение рассчитывают так, чтобы сумма степеней окисления была равна заряду частицы. Поэтому в нейтральном веществе сумма равна нулю, а в ионе — его заряду.

Изменение степени окисления служит признаком ОВР, потому что отражает перераспределение электронов между атомами. В ионных реакциях это может быть реальная передача электронов, а в ковалентных связях электронные пары обычно лишь смещаются. При расчёте условного заряда учитывают, к какому атому отнесли бы каждую пару, и получившиеся значения меняются. Поэтому степень окисления позволяет распознать ОВР, даже если свободные электроны в уравнении не записаны.

Окисление и восстановление происходят одновременно: электроны не исчезают и не возникают в ходе обычной химической реакции. Если одна частица отдаёт электроны, другая должна их принять. Значит, число электронов, отданных всеми частицами, равно числу принятых. Это объясняет, почему в уравнении ОВР нельзя оставить только процесс окисления или только процесс восстановления.

Роль вещества определяют по тому, что оно делает с электронами. Восстановитель отдаёт электроны другой частице и потому сам окисляется; окислитель принимает электроны и потому сам восстанавливается. Названия показывают действие на партнёра по реакции, а не изменение самого вещества. Поэтому, чтобы верно определить роли, сначала проследите изменение степени окисления, а затем установите, отданы или приняты электроны.

Электронный баланс помогает подобрать коэффициенты в уравнении. Сначала находят элементы, степени окисления которых изменились, и рассчитывают, сколько электронов отдаёт или принимает один атом. Затем подбирают наименьшие множители, при которых общее число отданных электронов равно числу принятых. Это соотношение задаёт коэффициенты перед веществами с изменившимися элементами; остальные коэффициенты находят по числу атомов и проверяют уравнение целиком.

Изменение степени окисления в ОВР

Сначала определите направление изменения степени окисления: повышение укажет на окисление, а понижение — на восстановление. Затем по столбцу с электронами установите роли веществ. Таблица помогает не перепутать действие частицы с тем, что происходит с ней самой.

Разбор задач

Задача 1. Определите степени окисления всех элементов в H₂SO₄ и укажите, изменяются ли они при образовании этого вещества из простых веществ.

1. В H₂SO₄ водород обычно имеет степень окисления +1, кислород — −2. Поскольку молекула нейтральна, сумма степеней окисления равна нулю.
2. Пусть степень окисления серы равна x. Тогда 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, откуда x = +6.
3. Водород и кислород в простых веществах имеют степень окисления 0, как и сера в простом веществе. Сравнение с H₂SO₄ показывает, что значения всех трёх элементов изменились.

Ответ: в H₂SO₄ H имеет степень окисления +1, S — +6, O — −2; при образовании из простых веществ меняются степени окисления водорода, серы и кислорода.

Задача 2. Для реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите, какие частицы окисляются и восстанавливаются, и назовите окислитель и восстановитель.

1. Цинк как простое вещество имеет степень окисления 0, а в ZnSO₄ — +2. Он отдаёт два электрона: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻, значит, окисляется.
2. В CuSO₄ медь имеет степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0. Ион меди принимает два электрона: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰, значит, восстанавливается.
3. Цинк отдаёт электроны и является восстановителем. Ионы Cu²⁺ принимают электроны и являются окислителем.

Ответ: Zn окисляется и выступает восстановителем; Cu²⁺ восстанавливается и выступает окислителем.

Задача 3. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Укажите окислитель и восстановитель.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в Fe — 0. Каждый атом Fe принимает 3 электрона, поэтому два атома железа принимают 6 электронов: 2Fe³⁺ + 6e⁻ → 2Fe⁰.
2. Углерод в CO имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4. Каждый атом C отдаёт 2 электрона; три атома углерода отдают 6 электронов: 3C²⁺ − 6e⁻ → 3C⁴⁺.
3. Баланс электронов задаёт соотношение Fe₂O₃ : CO : Fe : CO₂ = 1 : 3 : 2 : 3. Проверка показывает, что с обеих сторон по два атома Fe, три C и шесть O.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Окислитель — Fe₂O₃ (железо Fe³⁺ принимает электроны), восстановитель — CO (углерод отдаёт электроны).

Типичные ошибки

Степень окисления иногда принимают за реальный заряд атома. Это происходит потому, что оба понятия записывают числами со знаками, хотя в ковалентных соединениях условный расчёт не означает полного перехода электронов. Проверяйте, является ли частица ионом: только для одноатомного иона степень окисления равна его заряду. В остальных случаях применяйте правила расчёта суммы.

Можно перепутать направление изменения степени окисления. Знак «выше» относится к числовому значению: например, переход −2 → 0 тоже является повышением, хотя число стало менее отрицательным. При повышении происходит окисление, при понижении — восстановление. Проверьте вывод, отдельно сравнив значения до и после реакции.

Окислителем иногда называют вещество, которое само окисляется. Путаница возникает из-за того, что название воспринимают как описание изменения самого вещества. Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Чтобы проверить себя, сначала определите, кто принимает электроны, и только затем присвойте роль.

Наличие простого вещества среди реагентов само по себе не доказывает, что реакция является ОВР. Простое вещество может участвовать в реакции, не меняя степени окисления своих атомов. Сравните степени окисления всех элементов в исходных веществах и продуктах. ОВР будет только в том случае, если хотя бы одно значение изменилось.

Связь с другими темами

Для определения степеней окисления нужно знать состав атома и иона, понятия электроотрицательности и заряда частицы. Электроотрицательность помогает понять, к какому атому условно относят общие электронные пары. Правила расчёта связывают отдельные степени окисления с суммарным зарядом молекулы или иона.

Понятия окислителя и восстановителя применяют вместе с электронным балансом. Баланс позволяет учитывать, что число отданных электронов должно равняться числу принятых. Так находят коэффициенты в уравнениях ОВР и проверяют сохранение атомов.

ОВР объясняют работу гальванических элементов и электролиз, а также процессы коррозии. Перенос электронов лежит и в основе многих превращений в живых организмах. Умение распознавать изменение степеней окисления помогает связать эти явления с общей химической закономерностью.

Что запомнить

• ОВР распознают по изменению степеней окисления.
• Окисление — повышение степени окисления и отдача электронов.
• Восстановление — понижение степени окисления и принятие электронов.
• Окисление и восстановление всегда происходят одновременно.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.