Тема 12. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой изменяются степени окисления атомов. Это отличает её от реакций без изменения степеней окисления: например, при образовании осадка ионный обмен может пройти без передачи электронов. Поэтому для распознавания ОВР сравнивают степени окисления элементов до и после реакции. Изменение хотя бы одной степени означает, что в реакции произошло окисление и восстановление.

Окисление — отдача электронов частицей, при которой степень окисления элемента повышается. Например, при переходе Zn⁰ в Zn²⁺ атом цинка отдаёт два электрона. Термин не означает, что обязательно участвует кислород: решающими признаками служат потеря электронов и рост степени окисления. Это определение помогает отличить химический процесс окисления от бытового значения слова.

Восстановление — принятие электронов частицей, при котором степень окисления элемента понижается. Например, ион Cu²⁺, принимая два электрона, превращается в атом Cu⁰. Частица с меньшей степенью окисления получила электроны, поэтому произошёл процесс восстановления. Понятие нужно, чтобы установить, какой участник реакции принимает электроны.

Окислитель и восстановитель — участники ОВР, обменивающиеся электронами. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Названия отражают их действие на партнёра: восстановитель вызывает восстановление другой частицы, а окислитель — её окисление. Это позволяет определить роли веществ по изменению степеней окисления.

Как это устроено

Чтобы найти изменения в ОВР, сначала определяют степени окисления элементов. В простом веществе степень окисления каждого атома равна нулю; в соединении сумма степеней окисления всех атомов равна заряду частицы, обычно нулю у молекулы. Например, в H₂O водород имеет +1, поэтому кислород — −2: сумма двух значений +1 и одного значения −2 равна нулю. Сравнение степеней окисления в реагентах и продуктах показывает, какие элементы участвуют в переносе электронов.

Отдача и принятие электронов происходят одновременно, потому что свободные электроны не исчезают и не возникают при обычной химической реакции. Сколько электронов потерял восстановитель, столько же получил окислитель. Поэтому процессы окисления и восстановления всегда связаны и вместе составляют ОВР. Это равенство — основа электронного баланса и способ проверить правильность коэффициентов.

Изменение степени окисления указывает и на процесс, и на роль частицы. Если степень выросла, атом отдал электроны: он окислился, а содержащее его вещество выступает восстановителем. Если степень понизилась, атом принял электроны: он восстановился, а его вещество является окислителем. Например, переход Fe³⁺ в Fe⁰ означает принятие трёх электронов каждым атомом железа.

Электронный баланс составляют, чтобы уравнять число отданных и принятых электронов. Записывают изменения степеней окисления, указывают число электронов для одного атома и учитывают количество таких атомов в формуле. Затем подбирают множители, при которых суммарное число отданных электронов равно суммарному числу принятых. Эти множители переносят в уравнение как коэффициенты перед веществами, после чего проверяют число всех атомов.

ОВР различают по тому, где находятся участники, меняющие степени окисления. В межмолекулярной реакции окислитель и восстановитель входят в разные вещества, например цинк и ионы меди в реакции замещения. Во внутримолекулярной реакции оба участника находятся в составе одного исходного вещества. При самоокислении-самовосстановлении атомы одного элемента из одного исходного вещества образуют продукты с более высокой и более низкой степенями окисления; значит, часть атомов отдаёт электроны, а часть принимает их.

Изменение степени окисления и роль участника в ОВР

Пользуйся таблицей после того, как сравнил степени окисления элемента в исходных веществах и продуктах. Повышение указывает на отдачу электронов, а понижение — на их принятие. Так можно определить и процесс, и роль участника, не путая окислитель с восстановителем.

Разбор задач

Задача 1. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Определим степени окисления изменившихся элементов и роли участников. В простых веществах Zn и Cu степень окисления равна нулю, а в CuSO₄ медь имеет +2. В ZnSO₄ цинк имеет +2, поскольку сульфат-ион имеет заряд −2.

1. Сравниваем степени окисления: Zn⁰ → Zn²⁺, степень выросла на 2; Cu²⁺ → Cu⁰, степень понизилась на 2.
2. Цинк отдаёт два электрона и окисляется, поэтому Zn — восстановитель. Ион Cu²⁺ принимает два электрона и восстанавливается, поэтому CuSO₄ (точнее, ион Cu²⁺) — окислитель.
3. Электроны уже уравнены: один атом цинка отдаёт столько же, сколько принимает один ион меди. Коэффициенты в уравнении равны 1.

Ответ: Zn — восстановитель, Cu²⁺ в CuSO₄ — окислитель; уравнение Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu уравнено.

Задача 2. Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Железо в Fe₂O₃ имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4. Значит, железо принимает электроны, а углерод их отдаёт.

1. Записываем изменения: Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe⁰; C²⁺ − 2e⁻ → C⁴⁺.
2. В Fe₂O₃ два атома железа, поэтому они принимают 2 × 3 = 6 электронов. Чтобы отдать 6 электронов, окисляются три атома углерода: 3 × 2 = 6; ставим коэффициенты 2 перед Fe и 3 перед CO и CO₂.
3. Переносим коэффициенты и проверяем атомы: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Кислорода слева и справа по шесть атомов, углерода по три.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; окислитель — Fe₂O₃, восстановитель — CO.

Задача 3. Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O

У меди степень окисления меняется от 0 до +2, поэтому атом меди отдаёт два электрона. Азот в HNO₃ имеет +5, а в NO₂ — +4, поэтому каждый такой атом принимает один электрон. Электронный баланс задаёт соотношение меди и азота, а остальные коэффициенты подбираем по атомам.

1. Записываем изменения: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺; N⁵⁺ + e⁻ → N⁴⁺. Для одного атома меди нужны два атома азота, чтобы принять два отданных электрона.
2. Ставим коэффициенты: 1 перед Cu, 2 перед NO₂ и 1 перед Cu(NO₃)₂. В продукте Cu(NO₃)₂ содержатся ещё два атома азота, значит, всего атомов азота в продуктах четыре; ставим 4 перед HNO₃.
3. Слева четыре атома водорода, поэтому ставим 2 перед H₂O. Проверяем кислород: слева 12 атомов, справа 6 в Cu(NO₃)₂, 4 в двух NO₂ и 2 в воде.

Ответ: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O; окислитель — HNO₃ (азот +5), восстановитель — Cu.

Типичные ошибки

Ошибка — назвать окислителем частицу, которая сама окисляется. Так происходит, когда название связывают с действием на партнёра, но забывают проследить судьбу самой частицы. Проверка простая: окислитель принимает электроны, а его степень окисления понижается; частица, у которой она растёт, — восстановитель.

Не следует считать, что окисление обязательно связано с кислородом. В слове действительно есть такой корень, поэтому название легко принять за указание на реагент, но процесс определяется переносом электронов. Проверь, выросла ли степень окисления элемента: если да, произошло окисление, даже когда кислорода в реакции нет.

При электронном балансе иногда учитывают изменение степени окисления только одного атома и забывают остальные атомы того же элемента в формуле. Тогда общее число электронов получается неверным, и коэффициенты не уравнивают реакцию. Перед выбором множителя посчитай атомы элемента в веществе и умножь изменение для одного атома на их число.

Ещё одна ошибка — считать уравнение готовым сразу после переноса коэффициентов из баланса. Баланс описывает только обмен электронами, но остальные элементы могут остаться несбалансированными. Проверь слева и справа каждый элемент, включая водород и кислород; если числа не совпали, подбери недостающие коэффициенты и проверь уравнение заново.

Связь с другими темами

Для изучения ОВР нужно уметь определять степени окисления и понимать, что электроны могут переходить от одних частиц к другим. Эти знания опираются на представления о строении атома и его электронных оболочках. Понятия окислителя и восстановителя понадобятся при изучении электрохимии, гальванических элементов и электролиза. Электронный баланс помогает уравнивать уравнения реакций и анализировать химические процессы в лаборатории и промышленности.

Что запомнить

• ОВР сопровождаются изменением степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — принятие электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.