§ 17. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой вследствие перехода электронов меняются степени окисления атомов. Степень окисления — условный заряд атома в веществе, который находят по правилам распределения электронов. Сравнение степеней окисления до и после реакции помогает понять, произошёл ли перенос электронов и является ли реакция ОВР.

Окисление — отдача электронов атомом или ионом, при которой степень окисления элемента повышается. Например, Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻: атом цинка отдаёт два электрона, и его степень окисления возрастает с 0 до +2. Это понятие помогает определить, какой участник реакции отдаёт электроны.

Восстановление — присоединение электронов, при котором степень окисления элемента понижается. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰: ион меди принимает два электрона, его степень окисления уменьшается с +2 до 0. По этому признаку можно узнать участника, получающего электроны.

Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, поэтому степень окисления его элемента понижается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, поэтому степень окисления его элемента повышается. Такое различение нужно, чтобы верно указать роли участников реакции, а не путать их с названиями процессов.

Как это устроено

Чтобы обнаружить ОВР, определяют степени окисления элементов в формулах реагентов и продуктов, а затем сравнивают значения. Если степень окисления хотя бы одного элемента изменилась, в реакции произошёл перенос электронов. Если же состав веществ изменился, но все степени окисления остались прежними, реакция не относится к ОВР. Поэтому одного сравнения формул недостаточно: проверять нужно именно степени окисления.

Отдача электронов одним участником неизбежно связана с их принятием другим: электроны не возникают из ничего и не исчезают. Поэтому окисление и восстановление идут одновременно даже тогда, когда в уравнении записаны разные вещества. Записи полуреакций показывают обе стороны переноса, например Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺ и Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Число электронов в этих записях должно совпасть.

Название процесса относится к изменению степени окисления конкретного элемента, а роль — к веществу, которое вызывает изменение у другого участника. Восстановитель передаёт электроны окислителю и потому сам окисляется; окислитель забирает эти электроны и сам восстанавливается. Например, если степень окисления элемента в реагенте становится выше в продукте, это вещество выступает восстановителем. Если она становится ниже, вещество выступает окислителем.

Для электронного баланса сначала находят элементы с изменившимися степенями окисления и записывают переходы между исходным и конечным значениями. Разность степеней окисления показывает, сколько электронов приходится на один атом; её умножают на число таких атомов в формуле. Затем подбирают множители так, чтобы общее число отданных электронов равнялось числу принятых. Эти множители задают соотношение веществ, после чего проверяют и уравнивают остальные атомы.

Иногда атомы одного элемента в исходном веществе имеют промежуточную степень окисления, поэтому часть из них может её повысить, а часть — понизить. Тогда тот же элемент одновременно выступает и как отдающий, и как принимающий электроны участник. Такая ОВР называется реакцией диспропорционирования. Условие для неё — возможность одного элемента перейти из исходной степени окисления в две разные: более высокую и более низкую.

Окисление и восстановление в окислительно-восстановительной реакции

Пользуйтесь таблицей, чтобы связать изменение электронов со степенью окисления и ролью вещества. Сначала установите, что произошло с электронами, а затем назовите процесс и участника. Помните: окисление и восстановление описывают процессы, а окислитель и восстановитель — вещества.

Разбор задач

1. Определение окислителя и восстановителя

Условие: для реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите изменяющие степени окисления элементы и назовите окислитель и восстановитель. Сульфат-ион SO₄²⁻ переходит из одного соединения в другое, но для определения ролей достаточно проследить за цинком и медью. Их степени окисления можно установить из простых веществ и зарядов соединений.

1. В простых веществах Zn и Cu степень окисления равна 0; в ZnSO₄ цинк имеет +2, а в CuSO₄ медь — +2.
2. Цинк меняет степень окисления 0 → +2 и отдаёт 2e⁻, значит, окисляется и является восстановителем.
3. Медь меняет степень окисления +2 → 0 и принимает 2e⁻, значит, восстанавливается и является окислителем.

Ответ: изменяются степени окисления Zn и Cu. Восстановитель — Zn, окислитель — Cu²⁺ в составе CuSO₄.

2. Баланс для реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Условие: расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Сначала найдите элементы, чьи степени окисления изменяются, и учтите, сколько их атомов содержится в формульных единицах. Кислород в этой реакции сохраняет степень окисления −2 и в баланс электронов не входит.

1. В Fe₂O₃ железо имеет +3, а в Fe — 0: каждый атом Fe принимает 3e⁻; в Fe₂O₃ таких атомов два, всего принимается 6e⁻.
2. В CO углерод имеет +2, а в CO₂ — +4: один атом C отдаёт 2e⁻. Чтобы отдать 6e⁻, нужны три атома C, поэтому перед CO и CO₂ ставим коэффициент 3.
3. Уравниваем железо: перед Fe ставим 2. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов O, справа в трёх CO₂ тоже 6.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Проверка баланса: три атома углерода отдают 6e⁻, два атома железа принимают 6e⁻.

3. Баланс для реакции KMnO₄ + HCl

Условие: расставьте коэффициенты в уравнении KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O. Здесь изменяются сразу два элемента: марганец принимает электроны, а часть атомов хлора отдаёт их. Сначала составьте общий электронный баланс, а затем уравняйте калий, водород и кислород.

1. Mn в KMnO₄ меняет степень окисления +7 → +2 и принимает 5e⁻. Cl в HCl меняет −1 → 0, один атом хлора отдаёт 1e⁻.
2. Уравниваем электроны: двум атомам Mn нужно 10e⁻, их отдают десять атомов Cl. Поэтому ставим 2 перед KMnO₄ и 5 перед Cl₂.
3. Ставим 2 перед MnCl₂ и 2 перед KCl, чтобы уравнять марганец и калий. Для 8 атомов кислорода ставим 8 перед H₂O, а затем 16 перед HCl, чтобы уравнять водород.

Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. В 16HCl содержится достаточно хлора: 2 атома идут в KCl, 4 — в MnCl₂, ещё 10 образуют 5 молекул Cl₂.

Типичные ошибки

Считать ОВР любой реакцией, в которой образовались новые вещества, — значит путать изменение состава с переносом электронов. Так думают, потому что в уравнении видны другие формулы, но это само по себе не доказывает изменения степеней окисления. Проверьте степени окисления всех элементов до и после реакции: без изменений ОВР нет.

Путать окислитель и восстановитель — значит менять местами участника и процесс. Это происходит из-за похожих слов, хотя окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт их и окисляется. Проверьте себя вопросом: кто отдал электроны и у кого степень окисления повысилась? Это восстановитель.

В балансе можно учесть изменение степени окисления одного атома, но забыть число таких атомов в формуле. Тогда подсчёт электронов и соотношение веществ окажутся неверными. Например, в Fe₂O₃ два атома железа, и каждый принимает по 3e⁻, значит, соединение принимает 6e⁻. Пересчитайте атомы элемента в формуле перед подбором множителей.

Коэффициенты электронного баланса задают только соотношение участников ОВР, а не автоматически готовое уравнение. Если после их расстановки не проверить остальные элементы, в уравнении могут не совпасть числа атомов. Сосчитайте каждый элемент слева и справа и только после совпадения считайте уравнение уравненным.

Связь с другими темами

Для определения ОВР нужны правила нахождения степеней окисления в простых и сложных веществах. Для электронного баланса также важны знания о химических формулах, составе веществ и расстановке коэффициентов. Эти умения помогают перейти от уравнивания обычных реакций к анализу переноса электронов. Позже они пригодятся при изучении электрохимии, электролиза, коррозии и работы химических источников тока.

Что запомнить

• В окислительно-восстановительной реакции изменяются степени окисления элементов.
• 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.
• Число отданных электронов равно числу принятых.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.