§ 44. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в веществе, который показывают со знаком «+» или «−». Его находят, мысленно считая общие электроны связи перешедшими к более электроотрицательному атому. Это не всегда настоящий заряд атома, но такое обозначение помогает проследить перемещение электронов в реакции.

Окислительно-восстановительная реакция, или ОВР, — реакция, в которой степени окисления некоторых атомов изменяются. Если степень окисления хотя бы одного элемента стала другой, значит, в реакции произошло перераспределение электронов. Это определение позволяет отличить ОВР от реакций, в которых меняются вещества, но степени окисления остаются прежними.

Окисление — процесс отдачи электронов атомом или ионом, при котором его степень окисления повышается. Например, если частица теряет отрицательно заряженные электроны, её условный заряд становится более положительным. По этому признаку можно заметить, какие частицы отдали электроны в реакции.

Восстановление — присоединение электронов атомом или ионом, сопровождаемое понижением степени окисления. Принятые электроны делают условный заряд частицы более отрицательным или менее положительным. Это понятие помогает установить, какие частицы приняли электроны у окисляющихся участников.

Как это устроено

Для определения степеней окисления сначала выясняют, простое вещество перед нами или соединение: у простого вещества степень окисления равна нулю. В соединениях водород обычно имеет +1, кислород обычно −2, а щелочные металлы — +1. Сумма степеней окисления всех атомов нейтрального вещества должна быть равна нулю, потому что всё вещество в целом не заряжено; у сложного иона сумма равна его заряду. Если формула содержит несколько атомов одного элемента, их степени окисления учитывают столько раз, сколько атомов указано в формуле.

Чтобы обнаружить ОВР, сравнивают степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции. Повышение степени окисления означает, что атом отдал электроны: отрицательные частицы ушли, поэтому условный заряд стал положительнее. Понижение означает присоединение электронов. Если ни одна степень окисления не меняется, реакция не относится к ОВР, даже если состав веществ заметно изменился.

Окисление и восстановление происходят одновременно, потому что электроны не исчезают и не возникают при обычном химическом взаимодействии. Если одна частица отдаёт электроны, другая должна их принять. Поэтому при записи процесса важно найти обе стороны передачи: кто потерял электроны и кто получил ровно такое же общее их количество. Это помогает проверять, правильно ли поняты изменения степеней окисления.

Участник, который принимает электроны, называется окислителем: он вызывает окисление другой частицы, но сам восстанавливается. Частица, отдающая электроны, — восстановитель: она способствует восстановлению другой частицы, но сама окисляется. Названия удобно запоминать по тому, что происходит с самим веществом: окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется. В уравнении роли находят по изменению степеней окисления, а не по названию вещества.

Например, в реакции Mg + Cl₂ → MgCl₂ магний до реакции — простое вещество со степенью окисления 0, а в соли имеет +2. Он отдаёт два электрона и окисляется, поэтому Mg — восстановитель. У каждого атома хлора степень окисления меняется с 0 на −1, значит, два атома хлора принимают два электрона; Cl₂ — окислитель, который восстанавливается. Совпадение числа отданных и принятых электронов подтверждает разбор.

Изменение степеней окисления и роли участников ОВР

Сначала найди в таблице, какое изменение степени окисления соответствует каждому процессу, затем проверь, кто именно отдаёт или принимает электроны. Названия окислителя и восстановителя относятся к веществам-участникам, а окисление и восстановление — к процессам. Такое различение помогает не перепутать роль вещества с тем, что происходит с ним самим.

Разбор задач

1. Степени окисления в H₂O, NaCl и O₂

Условие: определить степени окисления элементов в веществах H₂O, NaCl и O₂. Сначала используем правила для простых веществ и типичные значения водорода и кислорода, затем проверяем сумму степеней окисления в каждой формуле. Проверка нужна, чтобы неизвестную степень не назначать наугад.

1. В H₂O водород обычно имеет степень окисления +1; два атома дают вместе +2. Молекула нейтральна, поэтому кислород должен иметь −2, чтобы сумма стала равна нулю.
2. В NaCl натрий — щелочной металл и имеет +1. На хлор приходится −1, иначе сумма для нейтрального соединения не была бы нулевой.
3. O₂ — простое вещество, поэтому степень окисления каждого атома кислорода равна 0.

Ответ: в H₂O H = +1, O = −2; в NaCl Na = +1, Cl = −1; в O₂ O = 0. Во всех соединениях сумма значений с учётом числа атомов равна нулю. Для O₂ действует отдельное правило простого вещества.

2. ОВР Mg + Cl₂ → MgCl₂

Условие: найти окисляющийся и восстанавливающийся элементы, а также окислитель и восстановитель. У простых веществ Mg и Cl₂ степени окисления равны нулю; в MgCl₂ магний имеет +2, а хлор −1. Сравнение показывает, что оба элемента изменили свои степени окисления.

1. У Mg степень окисления повышается с 0 до +2, значит, магний отдаёт два электрона и окисляется.
2. У Cl степень окисления понижается с 0 до −1. В молекуле Cl₂ два атома хлора, и каждый принимает по одному электрону, всего два.
3. Отдающий электроны магний — восстановитель, а принимающий их хлор — окислитель. Число отданных и принятых электронов совпадает.

Ответ: Mg окисляется и является восстановителем; Cl₂ восстанавливается и является окислителем. Реакция является ОВР, так как степени окисления магния и хлора изменились. Электронный обмен согласован: два электрона от магния принимают два атома хлора.

3. Электронный баланс для Fe + O₂ → Fe₂O₃

Условие: расставить коэффициенты и определить окислитель и восстановитель. В простых веществах Fe и O₂ степени окисления равны нулю, а в Fe₂O₃ железо имеет +3, кислород −2. Запись изменений показывает, сколько электронов теряет или получает один атом каждого элемента.

1. Железо меняет степень окисления 0 → +3 и отдаёт 3 электрона. Кислород меняет 0 → −2 и принимает 2 электрона на один атом.
2. Чтобы уравнять электронный обмен, берём наименьшее общее число электронов — 6: два атома Fe отдают 6 электронов, три атома O принимают 6. Поэтому в балансе соотносятся 2 Fe и 3 O.
3. В Fe₂O₃ содержатся два атома Fe и три атома O, значит, ставим коэффициент 2 перед Fe₂O₃. Получаем справа 4 атома Fe и 6 атомов O; для них ставим 4 перед Fe и 3 перед O₂ слева.

Ответ: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃. Железо отдаёт электроны, окисляется и является восстановителем; кислород принимает электроны, восстанавливается и является окислителем. Проверка атомов подтверждает результат: с каждой стороны 4 Fe и 6 O.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что окисление всегда означает присоединение кислорода. Так думают из-за знакомых примеров горения, но ОВР определяют не по участию кислорода, а по отдаче электронов и повышению степени окисления. Проверь себя: сравни степени окисления элемента до и после реакции. Если она повысилась, произошло окисление, даже когда кислорода в реакции нет.

Ошибка: путать окислитель с восстановителем. Названия могут сбивать с толку, потому что кажется, будто окислитель сам обязательно окисляется, а восстановитель — восстанавливается. На деле окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт их и сам окисляется. Чтобы проверить роль, спроси, какая частица изменила степень окисления и в какую сторону.

Ошибка: решать, что реакция ОВР, только по изменению состава веществ. Новые вещества образуются и в реакциях, где степени окисления не меняются, поэтому одного сравнения формул недостаточно. Вычисли степени окисления каждого элемента в реагентах и продуктах. Если все они сохранились, перед тобой не ОВР.

Ошибка: в электронном балансе учитывать изменение для одного атома, но забывать число таких атомов в формуле. Тогда общее число отданных электронов не совпадает с числом принятых, и коэффициенты получаются неверными. Умножай электронное изменение на количество атомов, участвующих в переходе. В конце проверь и баланс электронов, и число атомов каждого элемента в уравнении.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР нужны знания о строении атома, ионах и химической связи: они объясняют, откуда берутся электроны и почему атомы их отдают или принимают. Также важно уметь составлять формулы и определять степени окисления по составу вещества. Эти навыки помогают проверить, что найденные значения согласуются с зарядом молекулы или иона.

Понимание ОВР пригодится при изучении химических свойств простых и сложных веществ. С такими реакциями связаны горение, коррозия металлов и получение металлов из соединений. Умение находить окислитель и восстановитель помогает объяснить, как именно протекают эти процессы.

Что запомнить

• В ОВР изменяются степени окисления атомов.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окисление и восстановление в реакции происходят одновременно.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.