"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, в которых меняются степени окисления элементов. По этим изменениям можно проследить, какие частицы отдают электроны, а какие принимают их. Метод электронного баланса помогает уравнять число отданных и принятых электронов и подобрать коэффициенты. При этом формулы веществ остаются неизменными: меняют только коэффициенты перед ними, а в конце проверяют число атомов каждого элемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой изменяются степени окисления элементов. Это изменение показывает, что в ходе реакции происходит передача электронов между частицами. По нему отличают ОВР от реакций, в которых степени окисления остаются прежними.
Степень окисления — условный заряд атома в соединении, используемый для отслеживания передачи электронов. Это не всегда настоящий заряд атома, а удобная величина для сравнения его состояния до и после реакции. Определив степени окисления, можно увидеть, какие элементы участвуют в электронном обмене.
Окислитель — частица, которая принимает электроны и понижает свою степень окисления. Принимая электроны, она вызывает окисление другой частицы, но сама восстанавливается. Это название помогает распознать участника реакции, который забирает электроны.
Восстановитель — частица, которая отдаёт электроны и повышает свою степень окисления. Отдавая электроны, она способствует восстановлению другой частицы, а сама окисляется. Такое определение позволяет не путать роль вещества с тем, что происходит с его собственной степенью окисления.
Составление уравнения начинают с формул реагентов и продуктов, а затем определяют степени окисления элементов по обе стороны схемы. Сначала важно установить продукты реакции: иначе сравнивать изменения будет не с чем. Формулы должны быть записаны правильно, потому что именно их состав задаёт, какие элементы и в каком количестве участвуют в реакции.
Изменение степени окисления показывает, сколько электронов условно отдал или принял атом. Например, переход от 0 к +3 означает отдачу трёх электронов одним атомом, а переход от 0 к −2 — принятие двух. Сравнение таких изменений даёт соотношение атомов, при котором электронный обмен может быть уравнен.
Электронный баланс записывает отдачу и принятие электронов отдельными строками. Затем находят наименьшее общее число электронов, которое можно уравнять для обеих строк, и подбирают множители. Эти множители помогают определить коэффициенты перед веществами с изменившимися степенями окисления, потому что электроны в реакции не исчезают и не возникают.
После расстановки основных коэффициентов уравнивают элементы, степени окисления которых не менялись. Это нужно, поскольку электронный баланс учитывает только электронный обмен, но не проверяет автоматически состав всех веществ. В конце пересчитывают атомы каждого элемента слева и справа: их число должно совпасть.
Коэффициенты записывают в наименьшем целом соотношении. Если все коэффициенты можно разделить на одно и то же число, их сокращают. Индексы в формулах менять нельзя: коэффициент меняет количество частиц вещества, а индекс — состав каждой частицы, то есть само вещество.
| Что происходит | Изменение степени окисления | Электроны | Роль вещества |
|---|---|---|---|
| Степень окисления повышается | Увеличивается | Атом отдаёт электроны | Восстановитель |
| Степень окисления понижается | Уменьшается | Атом принимает электроны | Окислитель |
Сначала сравните степени окисления одного и того же элемента в исходных веществах и продуктах, затем найдите направление изменения. Повышение укажет на отдачу электронов и восстановитель, а понижение — на принятие электронов и окислитель. Таблица помогает определить роль частицы, но коэффициенты всё равно нужно проверить по числу атомов.
Задача 1. Определите, какие элементы изменяют степени окисления в реакции 2Mg + O₂ → 2MgO, и укажите окислитель и восстановитель.
В простых веществах Mg и O₂ степени окисления элементов равны 0. В MgO магний имеет степень окисления +2, а кислород −2, поскольку сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю.
Магний переходит от 0 к +2, то есть отдаёт электроны и является восстановителем. Кислород переходит от 0 к −2, принимает электроны и является окислителем.
Ответ: степени окисления изменяют Mg и O; Mg — восстановитель, O₂ — окислитель.
Задача 2. Расставьте коэффициенты в схеме Fe + O₂ → Fe₂O₃ методом электронного баланса.
В простых веществах степени окисления Fe и O равны 0. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а кислород −2: два атома Fe дают суммарно +6, три атома O — −6.
Один атом Fe отдаёт 3 электрона, а один атом O принимает 2 электрона. Наименьшее общее число электронов — 6, поэтому нужно 2 атома Fe и 3 атома O: отданы 6 электронов и приняты 6.
В одной формульной единице Fe₂O₃ содержатся 2 атома Fe и 3 атома O. Подбираем коэффициенты по этому составу и проверяем кислород: для трёх атомов O₂ нужны две формульные единицы Fe₂O₃.
Ответ: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃.
Задача 3. Расставьте коэффициенты в схеме Al + CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + Cu и определите окислитель и восстановитель.
В простом веществе Al степень окисления равна 0, а в соединениях алюминий имеет +3. Медь в CuSO₄ имеет +2, а в простом веществе Cu — 0, поэтому алюминий отдаёт электроны, а медь принимает.
Один атом Al отдаёт 3 электрона, а один ион Cu²⁺ принимает 2 электрона. Наименьшее общее число электронов — 6: два атома Al отдают 6 электронов, а три иона Cu²⁺ принимают 6.
По балансу ставим 2 перед Al и 3 перед CuSO₄ и Cu. В продукте содержатся три группы SO₄, поэтому перед Al₂(SO₄)₃ нужен коэффициент 1; число атомов всех элементов проверяем по обе стороны.
Ответ: 2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu; Al — восстановитель, Cu²⁺ в CuSO₄ — окислитель.
Окислитель и восстановитель часто путают, ориентируясь на звучание названия процесса, а не на движение электронов. Чтобы избежать ошибки, проследите за конкретной частицей: приняла электроны — окислитель, отдала — восстановитель. Сверьте этот вывод с изменением степени окисления: у окислителя она понижается, у восстановителя повышается.
Другая ошибка — менять индексы в формулах вместо коэффициентов. Так поступают, пытаясь подогнать число атомов, но изменение индекса означает запись другого вещества. Проверка проста: формулы реагентов и продуктов должны оставаться прежними, а числа перед ними можно менять.
Иногда уравнивают атомы, но забывают проверить электронный баланс. Тогда число электронов, отданных одними частицами, может не совпасть с числом принятых другими. Составьте отдельные строки изменений степеней окисления и сравните суммарные количества электронов до окончательного выбора коэффициентов.
Также забывают сократить коэффициенты или проверить итоговое число атомов. В первом случае уравнение записано не в наименьшем соотношении, во втором может остаться незамеченным неверный коэффициент. После уравнивания проверьте, можно ли разделить все коэффициенты на одно число, и пересчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон.
Для работы с ОВР нужно уметь определять степени окисления в простых веществах и соединениях: без этого нельзя увидеть электронный обмен. Также необходимы навыки составления формул веществ и уравнивания обычных химических уравнений, поскольку электронный баланс не отменяет проверки атомов. Освоенный способ пригодится при изучении более сложных окислительно-восстановительных реакций, где участников и этапов превращения больше.
Как понять, является ли реакция окислительно-восстановительной?
Определите степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах. Если хотя бы у одного элемента степень окисления изменилась, реакция является окислительно-восстановительной.
Как определить окислитель и восстановитель?
Найдите частицы, у которых изменились степени окисления. Частица, принимающая электроны и понижающая степень окисления, — окислитель; отдающая электроны и повышающая степень окисления — восстановитель.
Почему повышение степени окисления означает отдачу электронов?
Степень окисления условно показывает, насколько электронная плотность атома смещена к нему или от него. При отдаче электронов атом становится условно более положительным, поэтому его степень окисления повышается.
Зачем составлять электронный баланс?
Он помогает подобрать соотношение частиц, которые отдают и принимают электроны. Число отданных электронов должно равняться числу принятых, и это равенство позволяет найти коэффициенты.
Почему при уравнивании нельзя менять индексы в формулах?
Индекс показывает состав частицы, поэтому его изменение превращает вещество в другое. Уравнивают реакцию коэффициентами перед формулами: так меняют количество частиц, но не их состав.
§ 50. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций
