§ 16. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который находят по правилам: например, в простом веществе он равен нулю, а в нейтральном соединении сумма степеней окисления равна нулю. Условный заряд не всегда совпадает с настоящим зарядом атома, потому что электронная плотность в связи может быть распределена между атомами. Степени окисления нужны, чтобы сравнить состояние элементов до и после реакции и увидеть, какие из них изменились.

Окисление — процесс отдачи электронов атомом или ионом, сопровождающийся повышением степени окисления. Например, Mg⁰ → Mg²⁺ + 2e⁻: частица теряет электроны, а её степень окисления возрастает. Это понятие помогает определить участника реакции, который передаёт электроны другому веществу.

Восстановление — процесс принятия электронов атомом или ионом, сопровождающийся понижением степени окисления. Например, O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻: кислород принимает электроны, и его степень окисления становится ниже. По этому изменению можно найти частицы, которые получают электроны в реакции.

Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их. Окислитель при этом сам восстанавливается, а восстановитель — окисляется: названия веществ и процессов связаны именно так. Это различие нужно, чтобы не перепутать роли реагентов при составлении электронного баланса.

Как это устроено

Сначала в формулах исходных веществ и продуктов определяют степени окисления по правилам. Например, в простом веществе Fe степень равна 0, а в Fe₂O₃ кислород имеет степень −2, поэтому железо — +3: сумма степеней окисления атомов в нейтральной формуле должна быть нулевой. Сравнение значений для одного и того же элемента показывает, изменилось ли его состояние в реакции.

В электронном объяснении степень окисления повышается при потере электронов, потому что электроны имеют отрицательный заряд: после отдачи их доля у атома уменьшается. Если частица принимает отрицательно заряженные электроны, её условный заряд становится менее положительным или более отрицательным, поэтому степень окисления понижается. Так изменение степени окисления позволяет определить направление переноса электронов.

Элемент, степень окисления которого повысилась, отдал электроны, а значит, соответствующее вещество выступает восстановителем. Элемент с понизившейся степенью окисления принял электроны, поэтому его вещество — окислитель. В реакции оба изменения должны присутствовать: отданные электроны не исчезают, а переходят к принимающим частицам.

Затем записывают электронный баланс: указывают переход степени окисления и число электронов, отданных или принятых одним атомом. Чтобы найти общее число электронов, учитывают также количество таких атомов в формуле. Например, если два атома элемента каждый отдают по три электрона, всего отдаётся шесть электронов; их нужно сопоставить с общим числом принятых электронов.

Множители в балансе подбирают так, чтобы количество отданных и принятых электронов совпало. Эти множители помогают поставить коэффициенты перед формулами веществ, содержащих изменившиеся элементы; затем проверяют остальные элементы, число атомов которых также должно совпадать слева и справа. В конце проверяют все атомы: если баланс не сходится, коэффициенты нужно исправить, но индексы в формулах оставляют неизменными.

Этапы составления уравнения окислительно-восстановительной реакции

Пользуйся таблицей по порядку: каждый следующий этап опирается на результат предыдущего. Коэффициенты можно окончательно проверить только после того, как уравнены и электронный баланс, и число атомов всех элементов.

Разбор задач

Задача 1. Расставить коэффициенты в уравнении Mg + O₂ → MgO методом электронного баланса. В простых веществах Mg и O₂ степень окисления равна 0, а в MgO магний имеет +2, кислород −2. Значит, магний окисляется, а кислород восстанавливается.

1. Запишем изменения: Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺; O⁰ + 2e⁻ → O²⁻. В молекуле O₂ два атома кислорода, поэтому они принимают всего 4e⁻.
2. Чтобы отдать 4e⁻, нужны два атома Mg: 2Mg отдают 4e⁻. Ставим коэффициенты 2 перед Mg и MgO, а для двух атомов O — коэффициент 1 перед O₂.
3. Проверяем: слева два атома Mg и два O, справа — столько же. Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Задача 2. Уравнять Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. В Fe₂O₃ железо имеет степень +3, а в простом веществе Fe — 0; углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4. Железо принимает электроны, углерод отдаёт их.

1. Для одного атома железа записываем Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe⁰. В формуле Fe₂O₃ два атома железа, значит, всего принимаются 6e⁻.
2. Углерод отдаёт по 2e⁻: C²⁺ − 2e⁻ → C⁴⁺. Чтобы отдать 6e⁻, нужны три атома углерода, поэтому ставим 3 перед CO и 3 перед CO₂.
3. В Fe₂O₃ находятся два атома Fe, поэтому ставим 2 перед Fe. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6, справа 3 × 2 = 6. Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Задача 3. Уравнять KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O. Марганец в KMnO₄ меняет степень окисления с +7 на +2 и принимает электроны. Хлор из HCl меняет степень окисления с −1 на 0 и отдаёт электроны.

1. Записываем процессы: Mn⁷⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺; 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Чтобы уравнять электроны, первый процесс умножаем на 2, второй — на 5: принято и отдано по 10e⁻.
2. Получаем коэффициенты 2 перед KMnO₄, MnCl₂ и KCl, а также 5 перед Cl₂. Для двух атомов K требуются 2KCl; для четырёх атомов O ставим 4H₂O.
3. В продуктах 2MnCl₂ и 2KCl содержат всего 8 атомов Cl, а 5Cl₂ — ещё 10. Значит, перед HCl ставим 16; это даёт и 16 атомов H, нужных для 8H₂O. Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O.

Типичные ошибки

Степень окисления иногда принимают за настоящий заряд атома. Так происходит потому, что оба понятия описывают заряд, но степень окисления — условная величина, вычисляемая по правилам. Проверяй себя: если атом входит в обычную молекулу, не делай вывод о реальном заряде только по степени окисления.

Окислитель и восстановитель часто путают из-за похожих названий. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Чтобы проверить роль вещества, посмотри на степень окисления его элемента: понижение означает принятие электронов, повышение — отдачу.

При подсчёте электронов можно учесть изменение для одного атома, но забыть, что таких атомов в формуле несколько. Тогда баланс не соответствует количеству частиц, а коэффициенты выходят неверными. Пересчитай все атомы элемента с изменившейся степенью окисления и умножь число электронов на их количество.

Ещё одна ошибка — менять индексы внутри формул, чтобы уравнять число атомов. Индексы задают состав вещества, поэтому после их изменения записывается уже другая формула. Меняй только коэффициенты перед формулами и в конце пересчитай каждый элемент по обе стороны уравнения.

Связь с другими темами

Для работы с электронным балансом нужно уметь определять степени окисления и правильно составлять формулы веществ. Эти действия опираются на знания об атомах, ионах и электронах: без понимания их зарядов нельзя объяснить перенос электронов. Проверка готового уравнения связана с законом сохранения числа атомов. Освоенный метод пригодится при составлении уравнений более сложных окислительно-восстановительных реакций.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — принятие электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их.
• В окислительно-восстановительной реакции одновременно происходят окисление и восстановление.
• Число отданных электронов должно равняться числу принятых.
• Коэффициенты изменяют перед формулами, но не внутри них.
• После расстановки коэффициентов нужно проверить число атомов каждого элемента.