§ 22. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой изменяются степени окисления элементов. Это происходит потому, что электроны переходят от одних частиц к другим. По изменению степеней окисления можно отличить ОВР от реакций, где электронного перехода нет.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который получили бы атомы при полном переходе электронов к более электроотрицательному элементу. Её находят по специальным правилам, используя формулу вещества и известные значения других элементов. Эта величина нужна для отслеживания движения электронов.

Окисление связано с отдачей электронов и повышением степени окисления, а восстановление — с принятием электронов и её понижением. Например, переход Fe⁰ → Fe³⁺ означает окисление железа, а Cu²⁺ → Cu⁰ — восстановление меди. Эти два процесса в реакции неразделимы.

Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Названия показывают не результат для реагента, а действие, которое он вызывает у другого участника.

Как это устроено

В простых веществах степень окисления элемента равна 0: Mg⁰, O₂⁰, Fe⁰. В одноатомном ионе она совпадает с его зарядом: Na⁺ имеет степень окисления +1, S²⁻ — −2. Поэтому начало решения обычно состоит в том, чтобы узнать, является ли частица простым веществом, ионом или частью соединения.

В нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна 0, а в сложном ионе — его заряду. В большинстве соединений кислород имеет степень окисления −2, водород +1, щелочные металлы +1, щёлочноземельные металлы +2. Например, в H₂SO₄: 2 · (+1) + S + 4 · (−2) = 0, значит S = +6.

Изменение степени окисления показывает переход электронов, потому что повышение условного заряда означает потерю отрицательных частиц, а понижение — их получение. Если степени окисления всех элементов сохранились, электронного обмена нет и реакция не является ОВР. Например, в реакции AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃ степени окисления не меняются.

Окисление и восстановление связаны сохранением электронов: сколько электронов отдали одни частицы, столько же должны принять другие. Поэтому в ОВР нельзя отдельно рассматривать только повышение или только понижение степени окисления. Это правило позволяет составить баланс даже тогда, когда формулы продуктов уже известны.

Чтобы определить реагенты, сравните степени окисления каждого элемента в левой и правой частях уравнения. Элемент, повысивший степень окисления, входит в состав восстановителя, а понизивший — в состав окислителя. Затем коэффициенты находят электронным балансом: записывают изменения, умножают их на подходящие числа и уравнивают количество отданных и принятых электронов.

Окисление, восстановление и роль реагентов в ОВР

Пользуйтесь таблицей как цепочкой рассуждений: сначала сравните степени окисления, затем установите движение электронов. После этого легко назвать реагент: отдающий электроны — восстановитель, принимающий — окислитель.

Не следует определять роль вещества только по его названию или по наличию кислорода. Всегда проверяйте изменение степени окисления и сопоставляйте число отданных электронов с числом принятых.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите степени окисления элементов в Mg, O₂ и MgO и установите, является ли реакция 2Mg + O₂ → 2MgO окислительно-восстановительной.

1. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны 0: Mg⁰ и O⁰.
2. В MgO кислород обычно имеет −2, поэтому магний имеет +2: Mg²⁺O²⁻.
3. Магний изменился от 0 до +2 и отдал электроны, а кислород — от 0 до −2 и принял их.

Ответ: степени окисления Mg: 0 и +2, O: 0 и −2. Реакция является ОВР; магний — восстановитель, кислород — окислитель.

Задача 2

Условие: расставьте коэффициенты в Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ методом электронного баланса и укажите окислитель и восстановитель.

1. В Fe₂O₃ железо имеет +3, в простом Fe — 0: каждый атом Fe принимает 3 электрона, а два атома принимают 6 электронов.
2. В CO углерод имеет +2, в CO₂ — +4: один атом отдаёт 2 электрона, поэтому три атома отдают 6 электронов.
3. Ставим коэффициенты 2 перед Fe и 3 перед CO, затем 3 перед CO₂: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Окислитель — Fe₂O₃, восстановитель — CO; электронный баланс равен 6 принятым и 6 отданным электронам.

Задача 3

Условие: расставьте коэффициенты в Al + HCl → AlCl₃ + H₂ методом электронного баланса и определите окислитель и восстановитель.

1. Алюминий меняется от 0 до +3: два атома Al отдают 6 электронов.
2. Ионы водорода из HCl меняются от +1 до 0; шесть ионов принимают 6 электронов и образуют 3H₂.
3. Ставим коэффициенты: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂, после чего проверяем атомы всех элементов.

Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Восстановитель — Al, окислитель — ионы H⁺ в составе HCl.

Типичные ошибки

Степень окисления иногда принимают за настоящий заряд атома. В ковалентном соединении атом не обязательно реально получает или теряет целое число электронов: степень окисления является условной моделью. Проверка проста: укажите, идёт ли речь о самостоятельном ионе или об атоме в составе соединения.

Окисление путают с присоединением кислорода, а восстановление — с его удалением. Кислород действительно часто участвует в таких процессах, но не является главным критерием. Сравните степени окисления и проверьте отдачу или принятие электронов.

Окислителем иногда называют элемент, который сам повышает степень окисления. Это неверно: окислитель принимает электроны и поэтому восстанавливается, а повышает степень окисления восстановитель. Чтобы не ошибиться, сначала определите направление изменения, а потом назовите роль вещества.

Коэффициенты бывает соблазнительно подобрать только по отдельным атомам, не составляя электронный баланс. Тогда может нарушиться равенство отданных и принятых электронов или составиться неверное уравнение. После расстановки коэффициентов проверьте и электронный баланс, и число атомов каждого элемента.

Связь с другими темами

Для ОВР нужны знания о составе атома, заряде ионов, формулах веществ и правилах определения степеней окисления. Без этого трудно понять, какие частицы участвуют в переносе электронов и как составить баланс.

ОВР помогают объяснить свойства металлов и неметаллов, процессы электролиза и коррозии. На том же переносе электронов основана работа химических источников тока, где энергия реакции превращается в электрическую.

Что запомнить

• ОВР — реакции, в которых меняются степени окисления элементов.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — принятие электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• В ОВР число отданных электронов равно числу принятых.
• Коэффициенты в уравнении проверяют по числу атомов каждого элемента.