§ 16. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой степени окисления атомов изменяются. Если степени окисления всех элементов до и после реакции одинаковы, реакция не относится к ОВР. Чтобы распознать ОВР, сравнивают степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который помогает отслеживать переход электронов. У простого вещества она равна нулю, у одноатомного иона — его заряду, а сумма степеней окисления атомов в нейтральном веществе равна нулю. Обычно кислород имеет степень окисления −2, водород — +1; эти правила помогают найти изменившиеся элементы.

Окислитель — частица, принимающая электроны и понижающая свою степень окисления. Принимая электроны у другой частицы, она вызывает её окисление, а сама восстанавливается. Это понятие нужно, чтобы определить, кто в реакции получает электроны.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и повышающая свою степень окисления. Отданные электроны принимает окислитель, поэтому восстановитель сам окисляется. Название роли помогает понять, какое вещество теряет электроны при реакции.

Как это устроено

Сначала расставляют степени окисления в формулах исходных веществ и продуктов. Для этого используют правила определения степеней окисления и учитывают, что формулы веществ при составлении уравнения уже заданы. Сравнение показывает, какие элементы изменились и на сколько; неизменившиеся пока не участвуют в электронном балансе.

Повышение степени окисления означает, что атом отдал электроны: отрицательный заряд электронов уменьшился, а условный заряд атома стал выше. Понижение степени окисления соответствует принятию электронов. Эти процессы происходят одновременно, потому что электроны, отданные восстановителем, должны перейти к окислителю; в уравнении нельзя потерять или создать заряд.

Затем составляют электронный баланс. Записывают изменение степени окисления одного атома и соответствующее число отданных или принятых им электронов. Подбирают множители, чтобы общее число электронов с обеих сторон совпало: например, если один атом отдаёт 2 электрона, а другой принимает 3, наименьшее общее число равно 6, поэтому нужны множители 3 и 2.

Множители баланса становятся коэффициентами перед формулами веществ, в которых содержатся изменившие степень окисления элементы. Если таких атомов в формуле несколько, их число тоже учитывают: коэффициент относится ко всей формуле, а не к отдельному атому. После этого уравнивают остальные элементы, подбирая коэффициенты перед подходящими формулами, но не меняя индексы внутри формул.

В конце считают атомы каждого элемента слева и справа. Такая проверка нужна, потому что электронный баланс учитывает только изменения степеней окисления и сам по себе не гарантирует равенства остальных атомов. Если уравнение записано в ионной форме, дополнительно складывают заряды частиц по обе стороны: суммарный заряд тоже должен совпасть.

Изменение степени окисления и роль участника реакции

Сначала найдите направление изменения степени окисления, а затем по таблице определите передачу электронов. Название процесса и роль вещества не совпадают: окисление происходит у восстановителя, а восстановление — у окислителя.

Разбор задач

1. Расставьте коэффициенты: Mg + O₂ → MgO.

1. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны 0. В MgO магний имеет +2, кислород −2, значит, Mg отдаёт 2 электрона, а атом O принимает 2.
2. В молекуле O₂ два атома кислорода, поэтому всего они принимают 4 электрона. Чтобы столько же отдать, нужны два атома Mg: электронный баланс даёт соотношение Mg : O₂ : MgO = 2 : 1 : 2.
3. Проверяем: слева и справа по два атома Mg и два атома O. Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO.

2. Расставьте коэффициенты: FeCl₂ + Cl₂ → FeCl₃.

1. В FeCl₂ железо имеет +2, а в FeCl₃ — +3, то есть один атом Fe отдаёт 1 электрон. Хлор в FeCl₂ имеет −1, а в Cl₂ — 0; при образовании хлорид-ионов атомы хлора принимают электроны.
2. Молекула Cl₂ принимает 2 электрона, значит, нужны два атома Fe, каждый отдаёт по одному. Ставим 2 перед FeCl₂ и 2 перед FeCl₃, сохраняя баланс железа.
3. Справа в двух формулах FeCl₃ всего шесть атомов Cl; четыре уже входят в две формулы FeCl₂, остальные два даёт одна молекула Cl₂. Проверяем Fe и Cl. Ответ: 2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃.

3. Расставьте коэффициенты: KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O.

1. В KMnO₄ марганец имеет +7, а в MnCl₂ — +2: один атом Mn принимает 5 электронов. Хлор в HCl имеет −1, а в Cl₂ — 0; два атома хлора отдают 2 электрона.
2. Наименьшее общее число электронов равно 10: нужны два атома Mn, которые примут 10 электронов, и десять атомов Cl, которые их отдадут. Поэтому ставим коэффициент 2 перед KMnO₄ и MnCl₂, а 5 — перед Cl₂.
3. Два атома K дают 2KCl. В двух KMnO₄ содержится восемь атомов O, значит, ставим 8H₂O; для этого нужны 16HCl. Проверяем хлор: 2 атома в KCl, 4 в MnCl₂ и 10 в Cl₂ — всего 16. Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O.

Типичные ошибки

Окислителем иногда называют вещество, которое отдаёт электроны, путая название роли с направлением процесса. Но окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а отдаёт электроны восстановитель. Проверьте себя вопросом: чья степень окисления понижается? Это и есть окислитель.

При подсчёте электронов можно учесть изменение степени окисления только одного атома, забыв о других таких же атомах в формуле. Ошибка возникает, если перенести изменение для одного атома сразу на всё вещество или, наоборот, не умножить его на число атомов. Сверьте, сколько атомов элемента участвует в превращении, и умножьте изменение на это число.

Найденные множители иногда записывают внутри формул вместо коэффициентов. Так меняется состав вещества, а не количество его частиц, поэтому получается уже другое соединение. Проверка простая: коэффициент ставят перед формулой, индексы в ней при уравнивании не меняют.

Можно проверить только элементы, изменившие степень окисления, и забыть остальные атомы. Электронный баланс не уравнивает автоматически калий, водород, кислород и другие элементы, а в ионной записи он также не гарантирует равенства зарядов. После расстановки коэффициентов пересчитайте каждый элемент с обеих сторон и отдельно сравните заряды ионных частей.

Связь с другими темами

Для распознавания ОВР нужны правила определения степеней окисления и умение составлять формулы веществ: без них нельзя понять, какие атомы изменяются. Электронный баланс связан с законом сохранения массы и сохранением заряда: атомы и электроны не исчезают в реакции. Этот способ применяют при составлении уравнений реакций металлов, галогенов и соединений с сильными окислителями.

Что запомнить

• Окислительно-восстановительная реакция сопровождается изменением степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — принятие электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их.
• Число отданных электронов равно числу принятых.
• Коэффициенты электронного баланса сначала ставят перед формулами веществ, содержащих изменившие степень окисления элементы.
• В конце проверяют все атомы, а для ионных уравнений — также суммарный заряд.