§ 44. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — это реакция, в которой изменяются степени окисления элементов. Степень окисления показывает условный заряд атома в веществе. Чтобы понять, относится ли реакция к этому типу, сравнивают степени окисления элементов до реакции и после неё. Если изменения есть, значит, в реакции происходит передача электронов.

Окисление — процесс отдачи электронов, при котором степень окисления элемента повышается. Например, атом магния Mg⁰, отдавая два электрона, превращается в ион Mg²⁺. Это понятие помогает увидеть, какой участник реакции отдаёт электроны. Окисление всегда сопровождается восстановлением другого участника.

Восстановление — процесс присоединения электронов, при котором степень окисления элемента понижается. Например, частица Cu²⁺, приняв два электрона, превращается в атом Cu⁰. Это определение позволяет определить, кто принимает электроны в реакции. Без такого участника электроны, отданные при окислении, не могли бы перейти к другому веществу.

Окислитель принимает электроны и при этом сам восстанавливается: его степень окисления понижается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, поэтому его степень окисления повышается. Название участника показывает, что он делает с другим веществом, а не что происходит с ним самим. Различать эти роли нужно, чтобы правильно описывать перенос электронов в реакции.

Как это устроено

Чтобы распознать ОВР, сначала определяют степени окисления элементов во всех исходных веществах и продуктах. Затем сравнивают значения для каждого элемента, даже если он входит в разные вещества. Если степень окисления хотя бы одного элемента изменилась, реакция связана с переходом электронов. Обычно при этом у другого элемента степень окисления меняется в противоположную сторону.

Связь между электронами и степенью окисления объясняется изменением условного заряда частицы. Когда атом отдаёт отрицательно заряженные электроны, он становится условно более положительным, поэтому степень окисления повышается. Когда частица принимает электроны, её условный заряд становится более отрицательным, и степень окисления понижается. Например, Mg⁰ → Mg²⁺ + 2e⁻ — окисление, а Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ — восстановление.

Окисление и восстановление происходят одновременно, потому что электроны не исчезают и не возникают в ходе обычной химической реакции. Если одна частица отдаёт электроны, другая должна их принять. Поэтому изменение степени окисления вверх у одного элемента сопровождается изменением вниз у другого. Это позволяет проверять рассуждение: найденные отдача и принятие электронов должны соответствовать друг другу.

Роль участника определяют по направлению изменения его степени окисления. Если она повысилась, этот элемент отдал электроны, окислился и принадлежит восстановителю. Если она понизилась, элемент принял электроны, восстановился и входит в состав окислителя. Удобно сначала назвать элементы, которые изменили степени окисления, а затем присвоить роли: понижение — окислитель, повышение — восстановитель.

В реакции соединения 2Mg + O₂ → 2MgO оба простых вещества начинают со степени окисления 0. В продукте магний имеет +2, а кислород −2: магний окисляется, кислород восстанавливается. В реакции замещения Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu цинк вытесняет медь и меняет степень окисления с 0 на +2, а медь — с +2 на 0. Значит, цинк — восстановитель, а содержащие Cu²⁺ частицы — окислитель.

Признаки окисления и восстановления

Пользуйся таблицей после того, как сравнил степени окисления до и после реакции. Повышение указывает на окисление и восстановитель, понижение — на восстановление и окислитель. Последняя строка напоминает, что оба процесса идут одновременно.

Разбор задач

Задача 1. В реакции 2Mg + O₂ → 2MgO укажи элементы, изменившие степени окисления, и назови окислитель и восстановитель. В простых веществах Mg и O₂ степень окисления каждого элемента равна 0. В MgO кислород имеет −2, поэтому магний должен иметь +2.

1. Сравним магний: 0 → +2, степень окисления повышается, значит, магний отдаёт электроны и окисляется.
2. Сравним кислород: 0 → −2, степень окисления понижается, значит, кислород принимает электроны и восстанавливается.
3. Элемент, который окисляется, входит в состав восстановителя; элемент, который восстанавливается, — окислителя.

Ответ: Mg — восстановитель, O₂ — окислитель. Степени окисления магния и кислорода изменились с 0 на +2 и с 0 на −2 соответственно. Проверка: один элемент отдаёт электроны, а другой их принимает.

Задача 2. Для реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определи, какой металл окисляется и восстанавливается. Цинк и медь в простых веществах имеют степень окисления 0. В сульфатах SO₄ степень окисления металла равна +2, так как сульфат-ион имеет заряд −2.

1. Цинк меняется с 0 на +2: он отдаёт электроны, окисляется и является восстановителем.
2. Медь меняется с +2 в CuSO₄ на 0 в Cu: она принимает электроны и восстанавливается.
3. Частица Cu²⁺ принимает электроны, поэтому CuSO₄ в этой реакции выступает окислителем.

Ответ: окисляется Zn, восстанавливается Cu²⁺; восстановитель — Zn, окислитель — CuSO₄ (точнее, ионы Cu²⁺). Изменения степеней окисления противоположны. Кислород и сера в этой реакции степени окисления не меняют.

Задача 3. В реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ определи степени окисления железа и углерода, а затем назови окислитель и восстановитель. В Fe₂O₃ кислород имеет −2, поэтому железо — +3. В CO углерод имеет +2, а в CO₂ — +4; простое вещество Fe имеет степень окисления 0.

1. Железо меняет +3 на 0, принимает электроны и восстанавливается.
2. Углерод меняет +2 на +4, отдаёт электроны и окисляется.
3. Fe₂O₃ содержит элемент, который восстанавливается, поэтому выступает окислителем; CO содержит элемент, который окисляется, поэтому является восстановителем.

Ответ: железо — окислитель, углерод в составе CO — восстановитель. Степень окисления Fe меняется с +3 на 0, а C — с +2 на +4. Кислород в этих веществах остаётся со степенью окисления −2.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что окислитель сам окисляется. Так можно подумать из-за похожих слов, но окислитель получает электроны от другого участника и сам восстанавливается; его степень окисления понижается. Проверь себя по изменению степени окисления и направлению передачи электронов. Если значение уменьшилось, перед тобой окислитель.

Восстановитель не восстанавливается сам: он отдаёт электроны и окисляется, а его степень окисления повышается. Путаница возникает, если ориентироваться только на название участника, а не на его действие. Чтобы проверить ответ, найди, у какого элемента значение стало больше. Этот элемент окисляется и входит в состав восстановителя.

Не всякая реакция с кислородом автоматически является ОВР, и ОВР может проходить без кислорода. Кислород часто участвует в окислении, поэтому его присутствие легко принять за достаточный признак. Но решает не состав реагентов, а изменение степеней окисления. Сравни значения до и после: если они не меняются, наличие кислорода само по себе не доказывает ОВР.

Нельзя объявлять реакцию окислительно-восстановительной, проверив только один элемент. Ошибка возможна, если изменение степени окисления заметили, но не проследили за остальными элементами и не нашли принимающего или отдающего электроны участника. Проверь степени окисления всех элементов в исходных веществах и продуктах. Для ОВР должны быть согласованные изменения: повышение у одного участника и понижение у другого.

Связь с другими темами

Для разбора ОВР нужны правила определения степеней окисления в простых веществах и соединениях. Понимание состава атома и электронных оболочек помогает представить, почему частицы отдают или принимают электроны. Также необходимо уметь читать уравнение химической реакции и различать исходные вещества и продукты. Эти знания пригодятся при уравнивании окислительно-восстановительных реакций и изучении процессов в природе и технике.

Что запомнить

• В окислительно-восстановительной реакции меняются степени окисления элементов.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.