§ 15. Окисление и восстановление

Определения и обозначения

Окисление — процесс отдачи электронов; при этом степень окисления элемента повышается. Например, если атом теряет отрицательно заряженные электроны, его заряд становится относительно более положительным. Это определение помогает распознать частицу, которая передаёт электроны другой частице.

Восстановление — процесс присоединения электронов; при этом степень окисления элемента понижается. Получив отрицательно заряженные электроны, атом становится относительно менее положительным или более отрицательным. По этому признаку можно найти участника реакции, который принимает электроны.

Окислитель — частица, принимающая электроны и сама восстанавливающаяся. Название указывает на её действие по отношению к другой частице: она вызывает её окисление, забирая электроны. Термин нужен, чтобы обозначить участника реакции, который принимает электроны.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и сама окисляющаяся. Передавая электроны, она способствует восстановлению другой частицы. Это название помогает установить, кто именно предоставляет электроны в реакции.

Как это устроено

Степень окисления условно показывает, каким был бы заряд атома, если бы общие электроны химических связей полностью перешли к более электроотрицательному атому. Поэтому потеря электронов делает условный заряд атома более положительным, а степень окисления повышается. При присоединении электронов условный заряд становится более отрицательным, и степень окисления понижается. Так связь между переносом электронов и изменением степени окисления позволяет описывать реакцию числами.

Электроны не исчезают и не возникают из ничего в ходе обычной химической реакции: если одна частица отдаёт их, другая должна принять. Поэтому окисление невозможно без восстановления, а восстановление — без окисления. Передача может происходить прямо между частицами или через несколько промежуточных стадий, но электронный баланс сохраняется. Именно поэтому в уравнении всегда ищут оба процесса.

Чтобы найти процессы в уравнении, сначала определяют степени окисления элементов в реагентах и продуктах. Затем для каждого элемента сравнивают значение до реакции со значением после неё: рост означает окисление, снижение — восстановление. Неизменившиеся степени окисления не показывают переноса электронов для этих атомов. Такой способ работает и тогда, когда реальные электроны не записаны в общем уравнении реакции.

Роль вещества устанавливают по тому, что произошло с его частицей. Принимающая электроны частица является окислителем, хотя сама она восстанавливается; отдающая электроны частица является восстановителем, хотя сама окисляется. Названия ролей описывают влияние вещества на партнёра по реакции, а не процесс, который происходит с самим веществом. Поэтому их нельзя определять только по словам «окисление» и «восстановление» без проверки электронов.

Электронный баланс используют, чтобы согласовать перенос электронов и найти коэффициенты. Для каждого элемента с изменившейся степенью окисления записывают, сколько электронов теряет или получает один атом, а затем учитывают число таких атомов в формуле. Коэффициенты выбирают так, чтобы общее число отданных электронов сравнялось с общим числом принятых. После этого проверяют атомы всех элементов в уравнении: электронного баланса самого по себе недостаточно, если формулы или коэффициенты записаны неверно.

Окисление и восстановление в окислительно-восстановительной реакции

Сначала найди строку, которая связывает изменение степени окисления с переносом электронов. Затем по последней строке определи роль вещества, помня: окисляющаяся частица — восстановитель, а восстанавливающаяся — окислитель. Таблица показывает два взаимосвязанных процесса, а не варианты, из которых в реакции происходит только один.

Разбор задач

Задача 1. Для реакции 2Mg + O₂ → 2MgO укажи, какие элементы окисляются и восстанавливаются, назови окислитель и восстановитель. В простых веществах Mg и O₂ степень окисления элементов равна 0. В соединении MgO у магния степень окисления +2, а у кислорода −2.

1. Сравним степени окисления магния: 0 → +2. Они повышаются, значит магний отдаёт электроны и окисляется.
2. Сравним степени окисления кислорода: 0 → −2. Они понижаются, значит кислород принимает электроны и восстанавливается.
3. Магний отдаёт электроны, поэтому является восстановителем. Кислород принимает электроны, поэтому является окислителем.

Ответ: окисляется Mg, восстанавливается O; восстановитель — Mg, окислитель — O₂.

Задача 2. Для реакции CuO + H₂ → Cu + H₂O определи окислитель и восстановитель и объясни перенос электронов. В CuO медь имеет степень окисления +2, водород в H₂ — 0. В продуктах медь простого вещества имеет степень окисления 0, а водород в H₂O — +1.

1. Медь меняет степень окисления +2 → 0. Она принимает два электрона и восстанавливается.
2. Каждый атом водорода меняет степень окисления 0 → +1 и отдаёт один электрон. В молекуле H₂ два атома, поэтому всего отдаются два электрона.
3. Электроны от водорода принимает медь из CuO. Значит, CuO — окислитель, а H₂ — восстановитель.

Ответ: окислитель — CuO, восстановитель — H₂; водород отдаёт два электрона, медь принимает два электрона.

Задача 3. Расставь коэффициенты в уравнении Fe₂O₃ + Al → Al₂O₃ + Fe методом электронного баланса. Кислород не меняет степень окисления, поэтому баланс составляем для железа и алюминия. Сначала выясним изменение степеней окисления, затем учтём число атомов в формулах.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Каждый атом Fe принимает 3 электрона; в Fe₂O₃ два атома железа, значит принято 2 · 3 = 6 электронов.
2. Al — простое вещество со степенью окисления 0, а в Al₂O₃ алюминий имеет +3. Каждый атом Al отдаёт 3 электрона, поэтому для отдачи 6 электронов нужны два атома алюминия.
3. Записываем соотношение веществ: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe. Проверяем атомы: слева и справа по два атома Fe, два Al и три O.

Ответ: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe.

Типичные ошибки

Ошибочно называть окислителем вещество, которое само окисляется. Так путают, потому что название роли принимают за название процесса внутри этого вещества. Проверь себя: окислитель принимает электроны, а его собственная степень окисления понижается.

Иногда отдачу электронов связывают с понижением степени окисления, а присоединение — с повышением. Причина ошибки — путаница между отрицательным зарядом электрона и условным зарядом атома. Для самопроверки используй пары: отдача — повышение, присоединение — понижение.

Можно заметить в уравнении только окисление и остановиться на нём. Но электроны, отданные одной частицей, должны быть приняты другой, поэтому процесс без пары не описывает перенос электронов полностью. Проверь, нашёл ли ты элементы и с повышением, и с понижением степени окисления.

При электронном балансе ошибаются, если считают изменение только для одного атома и забывают индекс в формуле. Например, в Fe₂O₃ два атома железа, поэтому число принятых электронов нужно умножить на два. Перед расстановкой коэффициентов проверь индексы, а после неё пересчитай атомы каждого элемента по обе стороны уравнения.

Связь с другими темами

Для работы с окислительно-восстановительными реакциями нужны знания о строении атома и степени окисления. Важно уметь определять её в простых веществах и сложных соединениях: без этого нельзя сравнить состояние элемента до и после реакции. Новые понятия помогают объяснять горение и взаимодействие металлов с неметаллами и кислотами. Они также нужны для понимания коррозии и работы химических источников тока, где происходят процессы переноса электронов.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов.
• Восстановление — присоединение электронов.
• При окислении степень окисления повышается.
• При восстановлении степень окисления понижается.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• Число отданных электронов равно числу принятых.