§ 40. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — химическая реакция, при которой степени окисления элементов меняются вследствие перехода электронов от одних частиц к другим. Иначе говоря, одни частицы отдают электроны, а другие их принимают. Это понятие помогает отличать реакции с переносом электронов от тех, где степени окисления остаются прежними.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, вычисляемый по правилам распределения электронов между атомами. Она не всегда совпадает с реальным зарядом атома, поскольку в веществе электроны могут быть распределены иначе, чем предполагает условный расчёт. Степень окисления нужна, чтобы проследить, как меняется электронное состояние элементов при реакции.

Окисление — отдача электронов, сопровождающаяся повышением степени окисления, а восстановление — принятие электронов и её понижение. Например, если степень окисления изменилась с 0 на +2, частица отдала два электрона; переход с 0 на −2 означает принятие двух. Эти признаки позволяют определить направление переноса электронов.

Окислитель — частица, принимающая электроны, а восстановитель — частица, отдающая их. Окислитель при этом сам восстанавливается, а восстановитель сам окисляется. Названия показывают роль вещества в реакции, а не то, содержит ли оно кислород.

Как это устроено

Чтобы определить степени окисления по формуле, сначала используют значения, которые известны без вычислений: у простого вещества степень окисления равна 0, у одноатомного иона — его заряду. В соединениях обычно принимают во внимание типичные значения элементов, например кислорода −2, а водорода +1. Затем учитывают общее правило: сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю, а в сложном ионе — заряду иона. Так можно найти неизвестную степень окисления, поскольку суммарный заряд формулы должен совпасть с её зарядом.

Отданные одним участником электроны не исчезают, а переходят к другому участнику реакции. Поэтому отдача электронов всегда сопровождается их принятием: если одна частица окисляется, другая в то же время восстанавливается. Иначе нарушилось бы сохранение электрического заряда. В уравнении число электронов, отданных всеми восстановителями, должно равняться числу электронов, принятых всеми окислителями.

Направление переноса электронов видно по изменению степени окисления. Когда она повышается, атом или ион отдаёт электроны: его условный положительный заряд становится больше. Когда степень окисления понижается, частица принимает электроны, и её условный заряд становится менее положительным или более отрицательным. Поэтому достаточно сравнить значения до и после реакции, чтобы понять, кто отдаёт, а кто принимает электроны.

Окислитель определяют не по его названию или наличию кислорода, а по тому, что он принимает электроны. В результате принятия электронов степень окисления этого элемента понижается, то есть окислитель сам восстанавливается. Восстановитель, напротив, отдаёт электроны и повышает свою степень окисления, поэтому сам окисляется. Такой способ определения надёжнее, чем пытаться угадывать роль вещества по его формуле.

Для электронного баланса сначала находят элементы, степени окисления которых изменились, и записывают изменения с числом отданных или принятых электронов. Затем подбирают такие множители, чтобы общее число отданных электронов совпало с числом принятых. Эти множители показывают соотношение частиц, участвующих в переносе электронов, и помогают установить коэффициенты перед формулами. После этого проверяют число атомов каждого элемента и при необходимости подбирают оставшиеся коэффициенты.

Признаки окисления, восстановления и роли участников реакции

Пользуйтесь таблицей, сравнивая изменения степени окисления: её повышение означает окисление, а понижение — восстановление. Затем определите роль частицы: отдающий электроны элемент входит в восстановитель, принимающий — в окислитель. Роль вещества-партнёра проверяйте по тому же изменению, не путайте название реагента с тем, что происходит с ним самим.

Разбор задач

1. Реакция 2Mg + O₂ → 2MgO

Определите, какие элементы изменили степени окисления, и назовите окислитель и восстановитель. Сначала отметим, что исходные магний и кислород — простые вещества, поэтому у обоих степень окисления равна 0. В MgO кислород имеет степень окисления −2, а магний — +2, поскольку сумма должна быть нулевой. Изменение значений сразу показывает перенос электронов.

1. Mg: 0 → +2, значит, каждый атом отдаёт 2e⁻ и окисляется.
2. O: 0 → −2, значит, каждый атом принимает 2e⁻ и восстанавливается.
3. Магний, отдающий электроны, — восстановитель; кислород, принимающий их, — окислитель.

Ответ: степени окисления Mg и O изменились; восстановитель — Mg, окислитель — O₂. Два атома Mg отдают всего 4 электрона, а два атома O в молекуле O₂ принимают столько же, поэтому перенос электронов согласован.

2. Реакция Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Проверим, является ли реакция окислительно-восстановительной, и определим её участников. В простом веществе Zn степень окисления равна 0; в соли ZnSO₄ цинк имеет +2. Медь в CuSO₄ имеет +2, а в простом веществе Cu — 0. Сульфат-ион SO₄²⁻ сохраняется и не участвует в переносе электронов.

1. Zn: 0 → +2, значит, цинк отдаёт 2e⁻ и окисляется.
2. Cu: +2 → 0, значит, медь принимает 2e⁻ и восстанавливается.
3. Степени окисления изменились, следовательно, реакция является ОВР; Zn — восстановитель, Cu²⁺ в CuSO₄ — окислитель.

Ответ: это окислительно-восстановительная реакция; восстановитель — Zn, окислитель — ионы Cu²⁺. Сульфат-ион не меняет степень окисления, поэтому его не включают в электронный баланс.

3. Электронный баланс для Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Расставим коэффициенты, проследив за железом и углеродом. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4, поскольку кислород в этих соединениях обычно равен −2. Значит, железо принимает электроны, а углерод отдаёт их.

1. Для двух атомов Fe: 2Fe⁺³ + 6e⁻ → 2Fe⁰; всего принято 6e⁻.
2. Для углерода: C⁺² → C⁺⁴ + 2e⁻; один атом отдаёт 2e⁻, поэтому нужно три атома C, чтобы отдать 6e⁻.
3. Поставим 3 перед CO и CO₂, затем проверим атомы Fe и O и запишем коэффициенты 1, 3, 2, 3.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо в Fe₂O₃ — окислитель, а CO — восстановитель, поскольку углерод в нём отдаёт электроны.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что окисление обязательно означает взаимодействие с кислородом. Так думают из-за привычных примеров горения и реакции веществ с кислородом, однако определение связано с отдачей электронов и повышением степени окисления. Проверка проста: сравните степени окисления до и после реакции. Если степень повысилась, произошло окисление, даже когда кислород в реакции не участвует.

Часто путают окислитель и восстановитель: кажется, что название указывает на то, что вещество делает с партнёром. На деле окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Чтобы проверить себя, определите, чья степень окисления понизилась и чья повысилась. Принимающий электроны — окислитель, отдающий — восстановитель.

Степень окисления иногда принимают за настоящий заряд атома в любом веществе. Путаница возникает потому, что её обозначают числами со знаками плюс и минус, как заряд иона. Но это условная величина, вычисленная по правилам распределения электронов, поэтому она может не совпадать с реальным зарядом. Проверьте себя: у атома в нейтральном простом веществе степень окисления равна нулю, хотя это не означает наличия у него заряда.

Нельзя подбирать коэффициенты только по числу атомов и забывать о переносе электронов. Так можно получить внешне подходящие числа, но нарушить равенство числа отданных и принятых электронов. Ошибку проверяют электронным балансом: посчитайте электроны с учётом всех атомов, участвующих в изменении степеней окисления. Затем отдельно проверьте число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР понадобятся правила определения степеней окисления, умение составлять формулы веществ и уравнивать химические реакции. Без этих знаний трудно установить, какие элементы изменили степень окисления, и проверить коэффициенты. Позже понимание переноса электронов пригодится при изучении свойств металлов и неметаллов, коррозии и горения. Те же процессы лежат в основе работы электрохимических источников тока.

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 и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Число отданных электронов в реакции равно числу принятых.