§ 49. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой меняются степени окисления элементов вследствие перехода электронов. Одни частицы при этом отдают электроны, а другие их принимают. Это определение помогает отличить такие реакции от тех, где степени окисления остаются прежними.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при допущении, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательным атомам. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны. Степени окисления нужны, чтобы заметить перераспределение электронов и понять, какие элементы изменились в реакции.

Окисление — процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, при котором степень окисления повышается. Например, если атом отдал два электрона, он стал менее отрицательным или более положительным. Это понятие позволяет определить частицу, которая выступает восстановителем.

Восстановление — процесс присоединения электронов, при котором степень окисления понижается. Приняв отрицательно заряженные электроны, частица становится менее положительной или более отрицательной. Понятие помогает найти окислитель и проследить, куда переходят электроны.

Как это устроено

Чтобы определить степень окисления, сначала учитывают простые правила. В простом веществе, например Zn или O₂, она равна 0, потому что атомы связаны с такими же атомами. В нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна 0, а в сложном ионе — заряду иона. Поэтому, зная степени окисления части атомов, можно вычислить неизвестную из общей суммы.

Затем степени окисления сравнивают в левой и правой частях уравнения. Если все значения остались прежними, перехода электронов между частицами не обнаружено и реакция не является окислительно-восстановительной. Если значения изменились, найдутся элементы с повышением и понижением степени окисления. Изменение в разные стороны показывает, что электроны не исчезли, а перешли от одних частиц к другим.

Отдача электронов повышает степень окисления, потому что электрон имеет отрицательный заряд. После потери отрицательных частиц остающийся атом оказывается условно более положительным. При присоединении электронов происходит обратное: отрицательный заряд частицы возрастает, а степень окисления становится ниже. Например, переход Zn⁰ → Zn²⁺ соответствует отдаче двух электронов, а Cu²⁺ → Cu⁰ — их присоединению.

Окисление и восстановление связаны общим переносом электронов. Частица не может отдать электрон, если другая частица его не примет, поэтому оба процесса протекают одновременно. Если одна частица отдаёт два электрона, вторая или несколько других частиц должны принять в сумме те же два электрона. Это равенство используют при составлении электронного баланса.

Восстановителем называют частицу, отдающую электроны: она помогает другой частице восстановиться, а сама окисляется. Окислитель принимает электроны, помогает другой частице окислиться и сам восстанавливается. Роль определяют по изменению степени окисления: повышение указывает на восстановитель, понижение — на окислитель. Названия описывают действие вещества на другую частицу, а не процесс, который происходит с ним самим.

Изменение степеней окисления в окислительно-восстановительных процессах

Чтобы пользоваться таблицей, сначала сравни степень окисления элемента до реакции и после неё. Повысилась — частица окисляется и является восстановителем; понизилась — восстанавливается и является окислителем. В одной реакции должны обнаружиться оба изменения.

Разбор задач

1. H₂ + Cl₂ → 2HCl

Определите, является ли реакция окислительно-восстановительной, и укажите изменения степеней окисления. Сравнивать нужно каждый элемент сначала в исходном веществе, затем в продукте. В простых веществах водород и хлор имеют степень окисления 0, а в HCl водород обычно имеет +1, хлор −1.

1. Записываем изменения: H⁰ → H⁺¹, Cl⁰ → Cl⁻¹.
2. Степень окисления водорода повысилась, значит, он отдаёт электроны и окисляется.
3. Степень окисления хлора понизилась, значит, он принимает электроны и восстанавливается.

Ответ: реакция является окислительно-восстановительной. Водород окисляется, хлор восстанавливается; в уравнении учтены два атома каждого элемента.

2. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Найдите окисляющееся и восстанавливающееся вещества, затем назовите окислитель и восстановитель. Сульфат-ион SO₄²⁻ сохраняется по обе стороны уравнения, поэтому для определения переноса электронов достаточно проследить за цинком и медью. В простом веществе Zn и металлической меди степень окисления равна 0.

1. В Zn степень окисления меняется 0 → +2, а в соли CuSO₄ у меди она равна +2 и меняется до 0.
2. Цинк отдаёт два электрона: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻. Значит, цинк окисляется.
3. Ион меди принимает эти электроны: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Значит, медь восстанавливается.

Ответ: цинк — восстановитель, он сам окисляется; Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислитель, он сам восстанавливается. Число отданных и принятых электронов одинаково и равно двум.

3. Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. В Fe₂O₃ кислород имеет степень окисления −2, поэтому железо — +3; простое вещество Fe имеет 0. В CO углерод имеет +2, а в CO₂ — +4, значит, железо восстанавливается, а углерод окисляется.

1. Для одного атома железа записываем Fe⁺³ + 3e⁻ → Fe⁰. В формуле Fe₂O₃ два атома железа, поэтому они принимают всего 6 электронов.
2. Углерод отдаёт два электрона: C⁺² → C⁺⁴ + 2e⁻. Чтобы отдать 6 электронов, нужны три атома углерода, значит, ставим коэффициент 3 перед CO и CO₂.
3. Ставим 2 перед Fe, чтобы уравнять два атома железа. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов, справа 3 × 2 = 6.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо принимает шесть электронов, а три атома углерода отдают по два; электронный и атомный балансы соблюдены.

Типичные ошибки

Ошибочно считать окислительно-восстановительной любую химическую реакцию. Так думают, потому что все реакции приводят к образованию новых веществ, но сами по себе новые вещества не доказывают перенос электронов. Проверь степени окисления элементов до и после реакции: если они нигде не изменились, это не ОВР.

Неверно называть окислителем вещество, которое окисляется. Путаница возникает из-за сходства слов, хотя окислитель действует на другую частицу и принимает электроны сам. Чтобы проверить название, найди элемент с понижением степени окисления: содержащая его частица и есть окислитель.

Иногда при отдаче электронов ошибочно считают, что степень окисления понижается. Причина — смешение количества электронов с их зарядом: электроны отрицательны, поэтому их потеря делает частицу условно более положительной. Сверься с переходом Zn⁰ → Zn²⁺: электроны отданы, а степень окисления выросла.

При электронном балансе нельзя забывать, сколько атомов элемента содержится в формуле. Например, Fe₂O₃ содержит два атома железа, и каждый принимает по три электрона, то есть всего принимаются шесть. Проверь итог: суммарное число отданных электронов должно равняться числу принятых, а атомы каждого элемента — совпадать в обеих частях уравнения.

Связь с другими темами

Для работы с окислительно-восстановительными реакциями нужны знания о составе атома и строении электронных оболочек: они помогают понять, почему частицы отдают или принимают электроны. Также нужно уметь определять степени окисления, пользуясь правилами для простых веществ, соединений и ионов. Эти понятия пригодятся при изучении химических свойств металлов и неметаллов, а электронный баланс поможет расставлять коэффициенты в уравнениях реакций.

Что запомнить

• Окислительно-восстановительная реакция сопровождается изменением степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окисление и восстановление всегда происходят одновременно.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.