§ 47. Неметаллы могут быть окислителями и восстановителями

Определения и обозначения

Окислитель — частица, принимающая электроны и понижающая свою степень окисления. Проще говоря, она забирает электроны у другой частицы, а сама в результате восстанавливается. Это определение помогает установить, кто в реакции принимает электроны.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и повышающая свою степень окисления. Отдав электроны, она сама окисляется, хотя помогает восстановиться другой частице. По этому признаку находят участника реакции, который передаёт электроны.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, позволяющий определить направление переноса электронов. Это не всегда настоящий заряд атома: величину рассчитывают по правилам, как если бы связь была полностью ионной. Сравнение степеней окисления до и после реакции показывает, принял атом электроны или отдал.

Окислительно-восстановительная двойственность неметалла — способность его простого вещества в разных реакциях быть и окислителем, и восстановителем. Она объясняется тем, что атом неметалла со степенью окисления 0 может как понизить, так и повысить её. Понятие помогает не приписывать элементу одну и ту же роль во всех реакциях.

Как это устроено

В окислительно-восстановительной реакции (ОВР) одновременно происходят окисление и восстановление. Когда одна частица отдаёт электроны, другая должна их принять: электроны не исчезают, а переходят от одного участника к другому. Поэтому изменение степени окисления одного элемента сопровождается изменением у другого, а анализируют их совместно.

Неметаллы обычно электроотрицательны, то есть сильно притягивают электроны в химической связи. Поэтому от менее электроотрицательных элементов, например металлов, они чаще принимают электроны и выступают окислителями. Однако если партнёр по реакции притягивает электроны сильнее, неметалл может отдать их ему; тогда его роль — восстановитель.

В простом веществе атомы одного элемента имеют степень окисления 0. При образовании соединения электронное распределение меняется, поэтому степень окисления может стать как меньше, так и больше нуля. Если она понизилась, атом принял электроны; если повысилась — отдал. Именно возможность обоих изменений позволяет простому веществу неметалла проявлять двойственность.

Сера показывает эту зависимость от партнёра. В реакции S + H₂ → H₂S её степень окисления меняется с 0 на −2: сера принимает электроны от водорода и является окислителем. В реакции S + O₂ → SO₂ степень окисления серы возрастает с 0 до +4. Она отдаёт электроны кислороду и выступает восстановителем.

Возможности неметаллов различаются. Фтор в соединениях имеет степень окисления −1 — минимальную для него, поэтому отдать электроны с дальнейшим понижением степени окисления он не может и выступает окислителем. Хлор и сера способны менять степень окисления в разных направлениях. Поэтому при определении роли важны конкретный реагент и условия реакции, а не только название элемента.

Роль неметалла в окислительно-восстановительной реакции

Пользуйтесь таблицей, сравнивая степень окисления одного и того же элемента до и после реакции. Понижение означает, что неметалл принял электроны и является окислителем; повышение — отдал электроны и является восстановителем. Если изменение зависит от партнёра, возможны обе роли.

Разбор задач

Сера в реакции с водородом

Задача: определите, окислителем или восстановителем является сера в реакции S + H₂ → H₂S. Нужно выяснить, как изменяется её степень окисления, потому что именно это показывает направление переноса электронов. В простом веществе S её степень окисления равна 0.

1. В H₂S водород имеет степень окисления +1, поэтому сера имеет −2: сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна 0.
2. Сравниваем значения серы: 0 → −2. Степень окисления понизилась, значит, сера приняла электроны.
3. Принимающая электроны частица — окислитель. Проверяем также водород: его степень окисления меняется с 0 на +1, то есть он отдаёт электроны.

Ответ: сера — окислитель, водород — восстановитель. Уравнение уже расставлено: по одному атому каждого элемента находится с обеих сторон. Так изменение степени окисления объясняет, почему реагенты выполняют разные роли.

Сера в реакции с кислородом

Задача: расставьте коэффициенты в реакции S + O₂ → SO₂ и укажите роль серы. Поскольку кислород в соединениях обычно имеет степень окисления −2, в SO₂ на него приходится суммарно −4. Нейтральность молекулы означает, что степень окисления серы равна +4.

1. Сопоставляем состояния серы: в исходном простом веществе она имеет 0, а в SO₂ — +4. Повышение означает отдачу электронов.
2. Кислород в O₂ имеет степень окисления 0, а в SO₂ — −2. Он принимает электроны, поэтому является окислителем.
3. Проверяем число атомов: слева один атом серы и два атома кислорода, справа в SO₂ — столько же. Коэффициенты равны 1, их обычно не записывают.

Ответ: S + O₂ → SO₂; сера — восстановитель. Она отдаёт электроны кислороду, хотя сама является неметаллом. Пример показывает, что неметалл не обязательно служит окислителем.

Хлор с натрием и фтором

Задача: определите роль хлора в реакциях Cl₂ + 2Na → 2NaCl и Cl₂ + F₂ → 2ClF и объясните различие. В обеих реакциях исходный хлор — простое вещество со степенью окисления 0. Рассмотрим продукты отдельно, поскольку роль устанавливается по изменению этой величины.

1. В NaCl натрий имеет +1, следовательно, хлор имеет −1. Переход Cl⁰ → Cl⁻¹ означает приём электронов, поэтому хлор — окислитель.
2. В ClF фтор имеет −1, следовательно, хлор имеет +1. Переход Cl⁰ → Cl⁺¹ означает отдачу электронов, поэтому хлор — восстановитель.
3. Сравниваем партнёров: натрий отдаёт электроны хлору, а фтор притягивает электроны сильнее хлора и забирает их у него. Именно поэтому роль хлора в двух реакциях различается.

Ответ: в реакции с натрием хлор — окислитель, а в реакции с фтором — восстановитель. В обоих уравнениях коэффициенты расставлены, число атомов каждого элемента совпадает. Степени окисления показывают, что направление переноса электронов изменилось.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что неметалл всегда окислитель. Обычно неметаллы принимают электроны, поэтому это правило легко запомнить слишком широко, но сильный окислитель может заставить неметалл отдать электроны. Проверьте себя: найдите партнёра и сравните степень окисления неметалла в реагенте и продукте.

Ошибка: называть окислителем вещество, отдающее электроны. Путаница возникает из-за того, что окислитель вызывает окисление другого участника, но сам при этом принимает электроны и восстанавливается. Проверка проста: окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт.

Ошибка: определять роль только по принадлежности элемента к неметаллам. Одни и те же атомы могут менять роль в разных реакциях, поскольку направление переноса зависит от партнёра. Сначала найдите степени окисления до и после реакции, а затем делайте вывод о роли.

Ошибка: путать заряд иона со степенью окисления атома в соединении. Заряд относится к частице в целом, а степень окисления — условная величина, которую устанавливают по правилам. Чтобы проверить себя, учитывайте состав соединения и сумму степеней окисления, а не переносите заряд иона на любой атом без расчёта.

Связь с другими темами

Для определения роли неметалла нужны правила нахождения степеней окисления и признаки окисления и восстановления. Эти умения применяют при составлении электронного баланса: он показывает, сколько электронов отдано и принято, и помогает расставить коэффициенты в ОВР. Сравнение ролей также пригодится при изучении свойств галогенов, серы и других неметаллов. Так отдельные реакции связываются с общей закономерностью переноса электронов.

Что запомнить

• Окислитель принимает электроны, восстановитель отдаёт их.
• Окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется.
• В простом веществе степень окисления элемента равна нулю.
• Роль неметалла в реакции определяют по изменению его степени окисления.
• Один и тот же неметалл в разных реакциях может быть окислителем или восстановителем.
• Фтор в соединениях проявляет степень окисления −1 и служит окислителем.