§ 19. Развитие в науке представлений об окислении и восстановлении

Определения и обозначения

Окисление — первоначально присоединение кислорода, а в современной трактовке — отдача электронов и повышение степени окисления элемента. Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который помогает отслеживать изменение его состояния. По ней можно распознать окисление, даже если в реакции нет кислорода.

Восстановление — первоначально удаление кислорода, а в современной трактовке — присоединение электронов и понижение степени окисления элемента. Это процесс, противоположный окислению, и в реакции они идут одновременно. Сравнение степеней окисления позволяет проверить, произошло ли восстановление.

Окислитель — участник реакции, который принимает электроны и сам восстанавливается. Его степень окисления при этом понижается. Это понятие нужно, чтобы установить, кто получает электроны в окислительно-восстановительной реакции.

Восстановитель — участник реакции, который отдаёт электроны и сам окисляется. Степень окисления его элемента повышается. Название помогает не перепутать роль вещества: восстановитель восстанавливает другого участника, отдавая ему электроны.

Как это устроено

Первые представления окисления были связаны с кислородом, потому что его участие легко заметить при горении и образовании оксидов. Например, магний соединяется с кислородом воздуха и превращается в оксид магния. Такое объяснение было удобным для знакомых реакций, но описывало только процессы, где кислород присоединяется к веществу.

По мере изучения химических превращений стало ясно, что кислород может не присоединяться, а переходить из одного вещества в другое. Если соединение теряет кислород, это назвали восстановлением, а присоединение кислорода к другому веществу — окислением. Так удалось описывать обе стороны реакции, но сама кислородная трактовка всё ещё не подходила для процессов без кислорода.

Затем внимание обратили на реакции с водородом. В некоторых превращениях присоединение водорода сопровождало восстановление, а его отщепление — окисление. Эти признаки расширили описание: можно было учитывать не только кислород. Однако водород тоже присутствует не во всех реакциях, поэтому по нему нельзя было объяснить все случаи.

Электронная теория дала более общий способ объяснения: в ряде реакций частицы обмениваются электронами. Тот, кто отдаёт электроны, окисляется, а тот, кто принимает их, восстанавливается. Окисление и восстановление происходят одновременно, потому что переданные электроны должны быть приняты другим участником реакции.

Для реакций, где нельзя проследить явное перемещение кислорода или водорода, используют степени окисления. Если степень окисления элемента увеличилась, он отдал электроны в электронном описании и окислился; если уменьшилась — принял электроны и восстановился. Поэтому изменение степеней окисления помогает распознать окислительно-восстановительный процесс и определить его участников.

Как менялись представления об окислении и восстановлении

Таблица показывает, как менялся признак, по которому определяли окисление и восстановление. При разборе конкретной реакции сначала можно проверить кислород и водород, а затем — изменение степеней окисления. Последний способ применим и тогда, когда перенос этих элементов не виден.

Разбор задач

Задача: при горении магния образуется MgO. Определите, что в этой реакции называли окислением в кислородной трактовке. Рассуждаем по историческому определению, а не по современному признаку передачи электронов. Для этого сравним состав магния и полученного оксида.

1. В исходном веществе Mg кислорода нет, а в MgO кислород входит в состав соединения.
2. Значит, магний присоединил кислород при образовании оксида.
3. По кислородной трактовке такое присоединение кислорода и называли окислением.

Ответ: окислением считали присоединение кислорода к магнию. Продукт реакции — оксид магния MgO. Эта трактовка описывает именно участие кислорода в данном превращении.

Задача: в реакции CuO + H₂ → Cu + H₂O определите, какое вещество отдаёт кислород, а какое его присоединяет. Нужно проследить, где находился кислород до реакции и в каком веществе он оказался после неё. По кислородной трактовке это также показывает, какой участник восстанавливается.

1. В начале кислород находится в составе CuO, а в конце входит в состав H₂O.
2. Следовательно, CuO отдаёт кислород, а водород H₂ присоединяет его.
3. Удаление кислорода из CuO называют восстановлением; присоединение кислорода водородом — окислением в кислородной трактовке.

Ответ: кислород отдаёт CuO, кислород присоединяет H₂. Оксид меди восстанавливается, а водород окисляется. Так видно, что два процесса связаны в одной реакции.

Задача: в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите окислитель и восстановитель по степеням окисления. В простых веществах Zn и Cu степень окисления равна 0, а в соединениях цинк имеет +2, медь в CuSO₄ — +2. Сравним эти значения с теми, которые элементы имеют в продуктах.

1. Цинк меняет степень окисления с 0 на +2, поэтому отдаёт электроны и окисляется.
2. Медь меняет степень окисления с +2 на 0, поэтому принимает электроны и восстанавливается.
3. Вещество, отдающее электроны, — восстановитель; принимающий электроны участник — окислитель.

Ответ: Zn — восстановитель, а ионы Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислитель. Цинк отдаёт электроны, а ионы меди их принимают. Изменение степеней окисления позволяет определить роли участников без анализа переноса кислорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что окисление возможно только при участии кислорода. Так думают из-за исторического названия и первых примеров, связанных с горением. Проверь себя: сравни степени окисления до и после реакции; их повышение показывает окисление даже без кислорода.

Ошибка — путать окислитель с восстановителем. Названия похожи, а роли противоположны: окислитель принимает электроны, восстановитель отдаёт их. Для проверки определи, у какого участника степень окисления понижается, а у какого повышается.

Ошибка — говорить, что окислитель сам окисляется. Это неверно: принимая электроны, он сам восстанавливается, а окисляет другого участника. Проверь себя по изменению степени окисления: у окислителя она становится ниже.

Ошибка — определять процессы только по участию кислорода или водорода. Эти элементы помогают описывать некоторые реакции, но не являются универсальным признаком. Чтобы проверить вывод, сравни степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах.

Связь с другими темами

Для изучения окислительно-восстановительных процессов нужно знать состав атома, заряд иона и понятие химической реакции. Полезно также уметь определять степень окисления и понимать, что такое оксид. Эти знания помогают проследить изменение частиц и состава веществ.

Тема пригодится при изучении окислительно-восстановительных реакций и составлении электронного баланса: в нём учитывают отдачу и принятие электронов. Те же представления помогают разбирать электролиз и коррозию. Во всех этих случаях важно определить, какие частицы окисляются, а какие восстанавливаются.

Что запомнить

• Представления об окислении и восстановлении развивались от кислородной трактовки к электронной.
• Присоединение кислорода исторически называли окислением.
• Удаление кислорода исторически называли восстановлением.
• Окисление сопровождается отдачей электронов и повышением степени окисления.
• Восстановление сопровождается принятием электронов и понижением степени окисления.
• Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их.