29. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой степени окисления атомов изменяются вследствие перехода электронов. Одни частицы отдают электроны, а другие их принимают. По этому признаку ОВР отличают от реакций, где степени окисления остаются прежними.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который показывает, каким был бы его заряд при полном переходе электронов к более электроотрицательному атому. Это не всегда реальный заряд частицы. Значения степеней окисления нужны, чтобы увидеть изменение состава электронных оболочек в ходе реакции.

Окисление — отдача электронов атомом или ионом, сопровождающаяся повышением степени окисления. Например, Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺. Такое изменение помогает найти частицу, которая выступает восстановителем.

Восстановление — присоединение электронов атомом или ионом, сопровождающееся понижением степени окисления. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. По этому процессу определяют окислитель — частицу, принимающую электроны.

Как это устроено

Сначала в формулах определяют степени окисления элементов по правилам: у простого вещества она равна нулю, у кислорода обычно −2, у водорода обычно +1, а сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю. Затем сравнивают значения для исходных веществ и продуктов. Если хотя бы один элемент изменил степень окисления, перед нами ОВР; если все значения сохранились, реакция не относится к ОВР.

Отдача электронов делает частицу менее отрицательной или более положительной, поэтому её условный заряд и степень окисления увеличиваются. При присоединении электронов отрицательный заряд возрастает либо положительный уменьшается, и степень окисления понижается. Так, при превращении Zn⁰ в Zn²⁺ цинк отдаёт два электрона, а Cu²⁺ при переходе в Cu⁰ принимает два электрона.

Окисление и восстановление не могут происходить изолированно: электроны, отданные одной частицей, должны перейти к другой. Поэтому в одной реакции оба процесса идут одновременно. Общее число отданных электронов всегда равно общему числу принятых, иначе нарушился бы закон сохранения электрического заряда.

Окислитель принимает электроны и потому сам восстанавливается, то есть его степень окисления уменьшается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, поэтому его степень окисления повышается. Роль вещества определяют не по названию элемента, а по сравнению его степеней окисления до и после реакции.

Для электронного баланса выписывают элементы, чьи степени окисления изменились, и показывают отдачу или приём электронов. Число электронов на один атом умножают на число таких атомов, затем подбирают множители, чтобы суммарные числа совпали. Полученные множители используют как коэффициенты перед соответствующими веществами, после чего остальные коэффициенты проверяют обычным подсчётом атомов.

Окисление, восстановление и роль участников реакции

Таблицу удобно читать по изменению степени окисления: повышение означает окисление, а понижение — восстановление. Затем по направлению электронов определяют роли веществ. Окисление и восстановление в одной реакции нужно рассматривать как связанную пару.

Разбор задач

Задача 1. Цинк и сульфат меди

Условие: определить, является ли реакция Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu окислительно-восстановительной, и назвать окислитель и восстановитель.

1. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnSO₄ цинк имеет степень окисления +2. Значит, Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺: цинк окисляется.
2. Медь в CuSO₄ имеет степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0. Происходит восстановление: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.
3. Степени окисления изменились, следовательно, реакция является ОВР. Цинк отдаёт электроны и является восстановителем, а ионы Cu²⁺ принимают их и являются окислителем.

Ответ: реакция является ОВР; окислитель — CuSO₄, точнее ионы Cu²⁺, восстановитель — Zn.

Задача 2. Алюминий и хлор

Условие: для реакции 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ определить, сколько электронов отдаёт алюминий и принимает хлор, и указать роли участников.

1. Алюминий изменяет степень окисления от 0 до +3, поэтому один атом отдаёт 3e⁻. Два атома алюминия отдают 2 · 3 = 6e⁻.
2. Хлор изменяет степень окисления от 0 до −1. Один атом принимает 1e⁻, а шесть атомов хлора в 3Cl₂ принимают 6e⁻.
3. Числа совпали, значит электронный баланс соблюдён. Al — восстановитель, Cl₂ — окислитель.

Ответ: алюминий отдаёт 6 электронов, хлор принимает 6 электронов; окислитель — Cl₂, восстановитель — Al.

Задача 3. Восстановление оксида железа(III)

Условие: расставить коэффициенты в уравнении Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ методом электронного баланса.

1. Железо в Fe₂O₃ имеет степень окисления +3, а в Fe — 0: два атома Fe принимают 2 · 3 = 6e⁻. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ +4: один атом C отдаёт 2e⁻.
2. Чтобы отдать 6 электронов, нужно взять 3 атома углерода, то есть поставить 3 перед CO и 3 перед CO₂. Коэффициент перед Fe₂O₃ равен 1, перед Fe — 2.
3. Проверяем атомы: Fe — 2, O — 6, C — 3 с каждой стороны. Уравнение имеет вид Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; восстановитель — CO, окислитель — Fe₂O₃, точнее Fe³⁺.

Типичные ошибки

Считать, что окислитель сам окисляется, — ошибка в названии роли. Он принимает электроны, поэтому его степень окисления понижается и он восстанавливается. Проверьте направление стрелки: если частица получает e⁻, это окислитель.

Восстановитель не восстанавливается, а отдаёт электроны и окисляется. Путаница возникает из-за сходства слов «восстановитель» и «восстановление». Чтобы проверить себя, найдите у него повышение степени окисления.

Участие кислорода или водорода само по себе не доказывает, что реакция является ОВР. Решающий признак — изменение степеней окисления хотя бы одного элемента. Выпишите их до и после реакции, прежде чем делать вывод.

Нельзя подбирать коэффициенты только по числу атомов, забывая об электронах. При таком подходе может нарушиться электронный баланс. После расстановки коэффициентов сравните суммарное число отданных и принятых электронов.

Связь с другими темами

Для изучения ОВР нужны знания о составе атома и иона, формулах веществ и правилах определения степеней окисления. Эти умения позволяют увидеть переход электронов, даже если он не записан в формуле вещества.

Тема связана с химическими свойствами металлов, неметаллов и их соединений: многие реакции между ними являются ОВР. Электронный баланс также нужен при составлении уравнений реакций и дальнейшем изучении превращений веществ.

Что запомнить

• Признак ОВР — изменение степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.