42. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой степени окисления элементов изменяются из-за перехода электронов. Степень окисления — условный заряд атома, который используют для учёта электронов в веществе. Это определение помогает отличить ОВР от реакций, где состав веществ меняется, но степени окисления остаются прежними.

Окисление — отдача электронов; при этом степень окисления элемента повышается. Например, если атом теряет отрицательно заряженные электроны, он становится относительно более положительным. Понятие нужно, чтобы описать, какое изменение происходит с частицей, отдающей электроны.

Восстановление — присоединение электронов; при этом степень окисления элемента понижается. Принимая отрицательно заряженные электроны, частица становится относительно более отрицательной. Этот термин обозначает изменение того элемента, который принимает электроны.

Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Название окислителя связано с тем, что он вызывает окисление другой частицы, а не сам окисляется. Эти понятия позволяют назвать роли веществ в реакции.

Как это устроено

Чтобы выяснить, является ли реакция окислительно-восстановительной, сравнивают степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах. Если хотя бы у одного элемента она изменилась, значит, произошёл перенос электронов и реакция относится к ОВР. Если степени окисления всех элементов прежние, одного изменения формул веществ недостаточно, чтобы назвать реакцию окислительно-восстановительной.

Отдача электронов повышает степень окисления, потому что электрон несёт отрицательный заряд. Когда частица теряет часть электронов, её заряд относительно оставшихся протонов становится более положительным. При присоединении электронов происходит обратное: отрицательного заряда становится больше, поэтому степень окисления понижается.

Окисление и восстановление всегда происходят вместе, поскольку электроны не исчезают и не возникают сами по себе. Если одна частица отдала электроны, другая должна их принять в ходе той же реакции. Поэтому число отданных электронов равно числу принятых, хотя количество частиц, участвующих в каждом процессе, может быть разным.

Чтобы определить роли веществ, проследи, как изменились степени окисления элементов. Элемент, чья степень окисления повысилась, отдаёт электроны, поэтому содержащее его вещество выступает восстановителем. Элемент с понизившейся степенью окисления принимает электроны, значит, соответствующее вещество — окислитель.

Изменения степеней окисления помогают подобрать коэффициенты в уравнении, потому что показывают, сколько электронов передано. Сначала выясняют, сколько электронов отдаёт или принимает один атом, затем учитывают число таких атомов и уравнивают суммарное количество электронов. После этого проверяют число атомов всех элементов по обе стороны уравнения: электронный баланс не заменяет эту проверку, а помогает правильно выбрать коэффициенты.

Окисление и восстановление в окислительно-восстановительной реакции

Пользуйся таблицей, чтобы связать изменение степени окисления с переносом электронов и ролью вещества. Например, повышение степени окисления указывает на окисление и восстановитель, а понижение — на восстановление и окислитель. В одной реакции должны присутствовать оба процесса.

Разбор задач

Задача 1. В реакции Mg + Cl₂ → MgCl₂ определим, какие элементы изменили степени окисления и кто является окислителем и восстановителем. Сначала назначим степени окисления: у простых веществ Mg и Cl₂ они равны 0. В MgCl₂ магний имеет степень окисления +2, а хлор −1.

1. Сравниваем степени окисления: Mg 0 → +2, Cl 0 → −1.
2. Магний повысил степень окисления, значит, отдал 2 электрона и окислился.
3. Каждый атом хлора понизил степень окисления и принял 1 электрон; молекула Cl₂ принимает всего 2 электрона.
4. Следовательно, Mg — восстановитель, а Cl₂ — окислитель. Число отданных и принятых электронов совпало.

Ответ: степени окисления изменили Mg и Cl; восстановитель — Mg, окислитель — Cl₂.

Задача 2. Расставим коэффициенты в уравнении Al + O₂ → Al₂O₃ и определим роли веществ. В простых веществах степени окисления равны 0, а в оксиде алюминия Al имеет +3, O — −2. Поэтому алюминий отдаёт электроны, кислород принимает их.

1. Один атом Al при переходе 0 → +3 отдаёт 3 электрона; один атом O при переходе 0 → −2 принимает 2 электрона.
2. Наименьшее общее число электронов для этих изменений — 6: два атома Al отдают 6 электронов, три атома O принимают 6 электронов.
3. В Al₂O₃ содержатся 2 атома Al и 3 атома O. Ставим перед формулой оксида коэффициент 2, чтобы получить 4 атома Al и 6 атомов O.
4. Слева ставим 4 перед Al и 3 перед O₂. Проверяем: с обеих сторон по 4 атома Al и 6 атомов O.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; восстановитель — Al, окислитель — O₂.

Задача 3. Расставим коэффициенты в Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ и назовём окислитель и восстановитель. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Углерод в CO имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4.

1. Два атома Fe понижают степень окисления с +3 до 0 и вместе принимают 6 электронов.
2. Один атом C повышает степень окисления с +2 до +4 и отдаёт 2 электрона. Для отдачи 6 электронов нужны 3 атома C, значит, ставим коэффициент 3 перед CO и CO₂.
3. Проверяем остальные атомы: слева 3 атома O в Fe₂O₃ и ещё 3 в 3CO, всего 6; справа в 3CO₂ тоже 6. Железа слева и справа по 2, поэтому ставим 2 перед Fe.
4. Fe₂O₃ принимает электроны, значит, это окислитель; CO отдаёт электроны и является восстановителем.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; окислитель — Fe₂O₃, восстановитель — CO.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую реакцию с кислородом окислительно-восстановительной. Кислород может присутствовать, но сам по себе этот факт не доказывает перенос электронов; решает изменение степеней окисления. Чтобы проверить себя, сравни их значения для каждого элемента до и после реакции.

Часто путают направление изменения: при отдаче электронов степень окисления повышается, а при присоединении понижается. Это происходит потому, что электроны имеют отрицательный заряд. Проверь себя по паре изменений: Mg 0 → +2 окисляется, а Cl 0 → −1 восстанавливается.

Иногда окислителем называют вещество, которое отдаёт электроны. Название может сбивать с толку, но окислитель сам принимает электроны и восстанавливается, а отдающий электроны восстановитель окисляется. Проверка простая: найди элемент с понизившейся степенью окисления — он указывает на окислитель.

Нельзя подбирать коэффициенты, не уравняв число отданных и принятых электронов. Такой баланс помогает учесть изменения степеней окисления, но после него всё равно нужно проверить атомы каждого элемента. Если числа электронов не совпадают или атомов слева и справа разное количество, уравнение составлено неверно.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР сначала нужно уметь определять степени окисления элементов в простых и сложных веществах. Также пригодятся навыки составления формул и расстановки коэффициентов в химических уравнениях: электронный баланс дополняет обычную проверку числа атомов. Понимание переноса электронов помогает объяснять горение, получение металлов из соединений и электрохимические процессы.

Что запомнить

• Признак окислительно-восстановительной реакции — изменение степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• Число отданных электронов равно числу принятых.