§ 20. Окисление и восстановление

Определения и обозначения

Окисление — отдача атомом, ионом или веществом электронов, сопровождающаяся повышением степени окисления. Проще говоря, частица теряет отрицательно заряженные электроны и становится более положительной по сравнению с исходным состоянием. Это понятие позволяет узнать, какой элемент отдал электроны в реакции.

Восстановление — принятие электронов, сопровождающееся понижением степени окисления. Частица получает отрицательный заряд электронов, поэтому её степень окисления становится ниже. По этому изменению определяют участника, который принял электроны.

Окислитель — частица или вещество, принимающее электроны и восстанавливающееся. Его собственная степень окисления в ходе реакции понижается. Название связано с тем, что окислитель заставляет другой участник отдавать электроны.

Восстановитель — частица или вещество, отдающее электроны и окисляющееся. Его степень окисления повышается, потому что электронов становится меньше. Восстановитель передаёт электроны окислителю и тем самым вызывает его восстановление.

Как это устроено

Окисление и восстановление всегда происходят одновременно, потому что свободные электроны обычно не остаются без участника, который их примет. Если одна частица отдала электроны, другая должна получить ровно эти электроны. Поэтому в одной реакции обязательно есть восстановитель и окислитель, даже если их названия не указаны в условии.

Число электронов связано со степенью окисления элемента. При отдаче электронов частица теряет отрицательный заряд, поэтому степень окисления условно увеличивается; при принятии электронов она уменьшается. Например, переход Mg⁰ → Mg²⁺ означает отдачу двух электронов, а O⁰ → O²⁻ — принятие двух электронов.

Чтобы определить роли участников, сначала находят степени окисления нужных элементов до и после реакции. Элемент, у которого степень окисления повысилась, окислился и входит в состав восстановителя. Элемент, у которого степень окисления понизилась, восстановился и входит в состав окислителя.

В окислительно-восстановительной реакции изменяются степени окисления как минимум двух элементов, потому что передача электронов имеет две стороны. Один элемент не может отдать электроны без того, чтобы другой их принял. Электронный баланс помогает это проверить: число отданных электронов должно равняться числу принятых.

Для составления электронного баланса записывают, как изменяется степень окисления, и указывают число отданных или принятых электронов. Затем подбирают множители так, чтобы общее число электронов с обеих сторон стало одинаковым. После этого коэффициенты переносят в уравнение и проверяют число атомов каждого элемента.

Признаки окисления, восстановления и роли участников реакции

Пользуйтесь таблицей по изменению степени окисления: повышение указывает на окисление, а понижение — на восстановление. Затем определите роль вещества: окисляющийся участник является восстановителем, а восстанавливающийся — окислителем. Названия процессов и ролей связаны между собой, но не совпадают.

Разбор задач

1. Реакция магния с кислородом

Условие: определить, какой элемент окисляется и какой восстанавливается в реакции 2Mg + O₂ → 2MgO. Для этого нужно сравнить степени окисления элементов в простых веществах и в оксиде магния.

1. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны 0.
2. В MgO магний имеет степень окисления +2, а кислород −2.
3. Переход Mg⁰ → Mg²⁺ означает отдачу двух электронов, а O⁰ → O²⁻ — принятие двух электронов.

Ответ: магний окисляется, кислород восстанавливается. Магний является восстановителем, а кислород — окислителем.

2. Реакция цинка с сульфатом меди

Условие: назвать окислитель и восстановитель в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Сульфат-ион в этой реакции не меняет степени окисления, поэтому сравниваем цинк и медь.

1. До реакции Zn⁰, а в ZnSO₄ цинк имеет степень окисления +2.
2. Ион Cu²⁺ из CuSO₄ превращается в простое вещество Cu⁰.
3. Цинк отдаёт два электрона, а ион меди принимает эти два электрона.

Ответ: цинк — восстановитель, потому что он окисляется. Ионы Cu²⁺ — окислитель, потому что они восстанавливаются до меди.

3. Электронный баланс в реакции оксида железа(III) с угарным газом

Условие: расставить коэффициенты в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Сначала определяем элементы, которые изменили степени окисления, а затем уравниваем переданные электроны.

1. Железо в Fe₂O₃ имеет степень окисления +3, а в Fe — 0: два атома железа принимают 2 · 3 = 6 электронов.
2. Углерод в CO имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4: один атом углерода отдаёт 2 электрона.
3. Чтобы отдать 6 электронов, нужны 3 атома углерода, поэтому ставим коэффициент 3 перед CO и CO₂.
4. Проверяем кислород и железо: получаем Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: коэффициенты равны 1, 3, 2, 3. Железо восстанавливается, углерод окисляется; CO — восстановитель, а Fe₂O₃ — окислитель.

Типичные ошибки

Окислением считают только реакцию с кислородом. Так думают из-за названия процесса и знакомых реакций горения. Проверяйте не наличие кислорода, а отдачу электронов и повышение степени окисления.

Окислитель и восстановитель путаются местами. Ошибка возникает потому, что окислитель окисляет другого участника, но сам при этом восстанавливается. Запомните проверку: принимает электроны окислитель, отдаёт электроны восстановитель.

Процесс определяют по заряду частицы без сравнения степеней окисления. Заряд и степень окисления не всегда совпадают, особенно в составе сложных веществ. Сначала найдите степени окисления до и после реакции, затем сравните их.

Уравнение составляют только по числу атомов. При этом можно случайно получить правильное число атомов, но нарушить передачу электронов. После расстановки коэффициентов проверьте и атомный состав, и равенство отданных и принятых электронов.

Связь с другими темами

Для изучения окисления и восстановления нужны правила определения степеней окисления и умение составлять формулы веществ. Без этих навыков трудно установить, какие элементы изменились в реакции.

Также необходимо уметь расставлять коэффициенты в уравнениях и различать атомы, ионы и молекулы. Эти умения используются при записи электронных переходов и составлении баланса.

Тема объясняет процессы горения, коррозии и металлургии. Она также пригодится при изучении электролиза и работы гальванических элементов, где перенос электронов создаёт электрический ток.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов.
• Восстановление — принятие электронов.
• При окислении степень окисления повышается.
• При восстановлении степень окисления понижается.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окисление и восстановление всегда протекают одновременно.