§ 40. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, если представить, что общие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому. В простых веществах она равна 0: например, у Zn и O₂. В соединении её находят по правилам: у кислорода обычно −2, у водорода обычно +1, а сумма степеней окисления в нейтральной формуле равна нулю.

Окисление — процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. При этом степень окисления повышается, например Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Это понятие помогает увидеть, какая частица является источником электронов.

Восстановление — процесс присоединения электронов, при котором степень окисления понижается. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. По уменьшению степени окисления узнают, какая частица принимает электроны.

Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Название показывает не собственное изменение вещества, а его воздействие на партнёра. Поэтому окислитель вызывает окисление другой частицы, а восстановитель вызывает её восстановление.

Как это устроено

Сначала степени окисления определяют по составу формулы. У простого вещества она равна нулю, у одноатомного иона совпадает с зарядом иона, а в нейтральном соединении все степени в сумме дают 0. Например, в H₂O водород имеет +1, поэтому два атома дают +2, а кислород должен иметь −2; в SO₄²⁻ сумма должна быть −2, значит S имеет +6.

Изменение степени окисления показывает переход электронов. Если число стало больше, частица отдала электроны и окислилась; если стало меньше, она приняла электроны и восстановилась. Это не просто удобная запись: повышение на две единицы означает отдачу двух электронов одним атомом, а понижение на пять — принятие пяти электронов.

Окисление и восстановление не могут идти по отдельности в обычной химической реакции. Электроны не исчезают и не возникают из ничего, поэтому электроны, отданные восстановителем, должны перейти к окислителю. Отсюда следует равенство общего числа отданных и принятных электронов, даже если число атомов, участвующих в этих процессах, различается.

Роли веществ определяют по изменениям степеней окисления. Вещество, где элемент повышает степень окисления, является восстановителем, потому что отдаёт электроны; вещество, где степень понижается, — окислителем, потому что принимает их. Для расстановки коэффициентов записывают электронные переходы, умножают их на такие числа, чтобы отданных и принятых электронов стало поровну, а затем проверяют остальные атомы.

Изменение степени окисления и роль вещества в ОВР

Пользуйтесь таблицей в два шага: сначала сравните степени окисления элемента в исходных веществах и продуктах, затем определите направление перехода электронов. Повышение укажет на восстановитель и окисление, а понижение — на окислитель и восстановление.

Не смешивайте две роли: вещество может само окисляться, но при этом быть восстановителем. Роль вызывающего процесса определяется тем, что происходит с другой частицей.

Разбор задач

Задача 1. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Нужно найти изменяющиеся элементы и определить роли веществ. В простых веществах Zn и Cu степень окисления равна 0, а в солях цинк имеет +2, медь — +2. Поэтому сравниваем именно эти элементы, а не неизменяющиеся сульфатную группу и кислород.

1. Zn⁰ → Zn²⁺: цинк отдаёт два электрона и окисляется.
2. Cu²⁺ → Cu⁰: медь принимает два электрона и восстанавливается.
3. Цинк является восстановителем, а ион Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислителем.

Ответ: степени окисления изменяют Zn и Cu; Zn — восстановитель, CuSO₄, точнее ионы Cu²⁺, — окислитель.

Задача 2. Mg + O₂ → MgO

Магний в простом веществе имеет 0, а в MgO — +2. Кислород в O₂ имеет 0, а в оксиде — −2, поэтому магний окисляется, а кислород восстанавливается.

1. Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺.
2. O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻, поскольку молекула содержит два атома кислорода.
3. Умножаем переход магния на 2: отданы 4 электрона, приняты 4. Получаем 2Mg + O₂ → 2MgO.

Ответ: коэффициенты равны 2, 1, 2; магний — восстановитель, кислород — окислитель.

Задача 3. KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

В KMnO₄ марганец имеет +7, а в MnCl₂ — +2, значит он принимает пять электронов. Хлор в HCl имеет −1, а в Cl₂ — 0, поэтому два иона хлора отдают два электрона. Уравниваем электронные переходы, учитывая, что одна молекула Cl₂ содержит два атома хлора.

1. Mn⁷⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺; 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂.
2. Наименьшее общее число электронов — 10: берём 2 атома Mn и 5 молекул Cl₂. Ставим 2 перед KMnO₄ и 10 перед HCl, затем проверяем K, Mn, Cl, O и H.
3. После проверки получаем 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O.

Ответ: марганец восстанавливается и является частью окислителя KMnO₄, а хлорид-ионы окисляются и выступают восстановителем.

Типичные ошибки

Считать окислителем вещество, которое окисляется. Так бывает из-за похожих названий процессов, но окислитель принимает электроны и сам восстанавливается. Проверка проста: у окислителя степень окисления уменьшается.

Называть ОВР любую реакцию с кислородом. Кислород может участвовать без изменения степеней окисления, поэтому решающим признаком служит не его присутствие, а переход электронов. Сравните степени окисления до и после реакции.

При электронном балансе приравнивать число атомов вместо электронов. Разное число атомов может отдавать и принимать одинаковое количество электронов, поэтому сначала уравнивают именно электронные переходы. После этого проверяют атомы.

Менять индексы в формулах, чтобы получить равенство. Индекс изменяет состав вещества и создаёт другую формулу, тогда как коэффициент меняет только количество частиц. Самопроверка: все формулы должны остаться исходными.

Связь с другими темами

Для изучения ОВР нужны знания о составе атома и иона, зарядах частиц, формулах веществ и правилах определения степеней окисления. Без них невозможно понять, куда переходят электроны и как проверить уравнение.

ОВР помогают объяснить свойства металлов и неметаллов, коррозию, электролиз и работу химических источников тока. Во всех этих темах важно отслеживать отдачу и принятие электронов.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окисление и восстановление всегда происходят одновременно.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.
• Коэффициенты не изменяют состав формул веществ.