§ 14. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой степени окисления атомов изменяются вследствие перехода электронов от одних частиц к другим. Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при предположении, что общие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому. Понятие ОВР нужно, чтобы отличать реакции с переносом электронов и устанавливать, какие частицы в них участвуют.

Окисление — отдача электронов частицей, при которой степень окисления соответствующего элемента повышается. Например, переход Zn⁰ → Zn²⁺ сопровождается отдачей двух электронов. Это понятие помогает определить, какая частица является источником электронов в реакции.

Восстановление — присоединение электронов частицей, при котором степень окисления элемента понижается. Так, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ показывает, что ион меди принял электроны. По этому процессу находят частицу, которая получает электроны от другой частицы.

Окислитель и восстановитель — участники ОВР, принимающий и отдающий электроны соответственно. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт их и сам окисляется. Эти названия показывают роль частицы в реакции, поэтому её собственное изменение степени окисления направлено противоположно названию её роли.

Как это устроено

Чтобы обнаружить ОВР, сначала находят степени окисления по правилам: у простого вещества она равна нулю, у одноатомного иона — его заряду, а сумма степеней окисления атомов в нейтральном соединении равна нулю. В сложном ионе сумма равна заряду иона; обычно кислород имеет степень окисления −2, водород +1. Затем сравнивают значения каждого элемента в реагентах и продуктах: изменение хотя бы одного значения указывает на ОВР, потому что произошло перераспределение электронов.

Окисление и восстановление всегда идут одновременно. Если частица отдаёт электрон, этот электрон не исчезает: его должна принять другая частица, иначе суммарный заряд системы изменился бы без причины. Поэтому в уравнении ОВР обязательно можно найти и повышение, и понижение степени окисления.

Роль участников определяют по направлению изменения степени окисления. Элемент, у которого она понижается, принимает электроны, поэтому соответствующая частица — окислитель; элемент, у которого она повышается, отдаёт электроны, поэтому частица — восстановитель. Это объясняет кажущийся парадокс: окислитель не окисляется, а сам восстанавливается, тогда как восстановитель сам окисляется.

Для подбора коэффициентов используют электронный баланс. Записывают, на сколько единиц меняется степень окисления, и умножают это изменение на число атомов элемента, которое участвует в процессе; так находят суммарное число отданных или принятых электронов. Затем подбирают наименьшие множители, чтобы числа электронов совпали: сколько электронов отдано, столько же должно быть принято, поскольку электроны сохраняются в реакции.

Полученные коэффициенты сначала ставят перед веществами, содержащими элементы, которые изменили степени окисления, а затем уравнивают остальные атомы. Проверяют число атомов каждого элемента слева и справа, а для ионных уравнений — также суммарный заряд; коэффициенты не меняют состав веществ. Если один элемент в исходном веществе одновременно переходит в продукты с более высокой и более низкой степенью окисления, это диспропорционирование: одна часть его атомов окисляется, другая восстанавливается.

Изменение степени окисления и роль частиц в ОВР

Пользуйтесь таблицей в двух направлениях: по изменению степени окисления устанавливайте движение электронов, а по движению электронов — процесс и роль частицы. Не путайте название роли с изменением самой частицы: окислитель восстанавливается, восстановитель окисляется. Такое сопоставление позволяет быстро проверить выводы при разборе уравнения.

Разбор задач

Цинк и сульфат меди

Условие: в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите, какие элементы изменили степени окисления, и укажите окислитель и восстановитель. Чтобы увидеть перенос электронов, достаточно проследить за цинком и медью: сульфат-ион при переходе из одного вещества в другое сохраняется.

1. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnSO₄ у цинка она +2. Значит, цинк повысил степень окисления и отдал два электрона.
2. В CuSO₄ медь имеет степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0. Медь приняла два электрона и понизила степень окисления.
3. Цинк отдаёт электроны, поэтому он восстановитель и сам окисляется. Ион Cu²⁺ принимает электроны, поэтому он окислитель и сам восстанавливается.

Ответ: степени окисления изменили Zn: 0 → +2 и Cu: +2 → 0; восстановитель — Zn, окислитель — Cu²⁺ в составе CuSO₄. Изменения взаимно уравновешены: один атом цинка отдаёт два электрона, которые принимает один ион меди.

Алюминий и соляная кислота

Условие: расставьте коэффициенты в уравнении Al + HCl → AlCl₃ + H₂ методом электронного баланса. В ходе реакции алюминий переходит в соль, а водород из кислоты образует простое вещество. Сначала определим изменения степеней окисления, а затем уравняем электроны.

1. Алюминий меняет степень окисления 0 → +3, то есть каждый его атом отдаёт три электрона: Al⁰ − 3e⁻ → Al³⁺.
2. Водород меняет степень окисления +1 → 0 и принимает электроны. В одной молекуле H₂ два атома водорода, поэтому на образование одной молекулы нужно принять два электрона.
3. Наименьшее общее число для 3 и 2 — 6: два атома Al отдают 6e⁻, а шесть атомов H принимают 6e⁻ и дают три молекулы H₂. Ставим коэффициенты и проверяем хлор: для двух AlCl₃ нужны шесть HCl.

Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Число атомов Al, H и Cl слева и справа совпадает. Алюминий — восстановитель, ионы водорода — окислитель.

Диспропорционирование хлора

Условие: расставьте коэффициенты в реакции Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O и определите окислитель и восстановитель. В простом веществе хлор имеет степень окисления 0, но в продуктах оказывается в двух разных соединениях. Значит, одна часть атомов хлора должна принять электроны, а другая — отдать.

1. В NaCl степень окисления хлора равна −1: хлор восстановился и принял один электрон на атом. В NaClO она равна +1: хлор окислился и отдал один электрон на атом.
2. Один атом хлора переходит в −1, другой — в +1, поэтому изменения электронов равны. На один Cl₂ приходятся по одному атому хлора в каждом продукте, что даёт основу соотношения Cl₂ : NaCl : NaClO = 1 : 1 : 1.
3. Чтобы обеспечить натрий в обеих солях, ставим 2 перед NaOH. Оставшиеся атомы водорода и кислорода уравниваются одной молекулой воды.

Ответ: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Хлор одновременно является окислителем и восстановителем: один его атом принимает электроны, другой отдаёт. Такая реакция называется диспропорционированием.

Типичные ошибки

Окислителем иногда называют вещество, степень окисления которого повышается. Так путают название роли с изменением самой частицы: окислитель принимает электроны и потому восстанавливается. Проверьте себя по электронному переходу: принявшая электроны частица — окислитель.

Другая ошибка — считать, что окисление может пройти без восстановления. Такое представление возникает, если рассматривать только один элемент или полуреакцию; однако отданные электроны должны быть приняты другой частицей. Найдите в уравнении оба изменения степени окисления и убедитесь, что одно значение повышается, а другое понижается.

В электронном балансе учитывают изменение степени окисления, но забывают число атомов, участвующих в изменении. Тогда сравнивают электроны для одного атома с электронами для нескольких атомов, и баланс получается неверным. Перед подбором коэффициентов умножьте изменение степени окисления на число таких атомов в формуле.

Нельзя уравнивать реакцию, меняя индексы в формулах. Индекс задаёт состав вещества: например, изменение формулы вещества означает уже другое соединение, а не просто уравненную реакцию. Меняйте только коэффициенты перед формулами, после чего проверьте число атомов каждого элемента с обеих сторон.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР нужны правила определения степеней окисления, умение составлять формулы веществ и расставлять коэффициенты в уравнениях. Эти навыки помогают увидеть перенос электронов и не спутать его с обычным изменением состава смеси. Поэтому при разборе реакции сначала проверьте формулы, а затем сравните степени окисления.

Представления об окислении и восстановлении используются в электрохимии, при изучении электролиза, гальванических элементов и химических источников тока. Они также помогают объяснять горение, коррозию металлов и действие некоторых веществ. Во всех этих случаях существенен перенос электронов между частицами.

Что запомнить

• ОВР сопровождается изменением степеней 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.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.
• В диспропорционировании один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается.