§ 51. Сущность и классификация химических реакций в свете электронной теории

Определения и обозначения

Окисление — это отдача атомом или ионом электронов. При потере отрицательных электронов степень окисления частицы повышается, например Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Это понятие помогает найти элемент, который является источником электронов.

Восстановление — присоединение атомом или ионом электронов. Из-за получения отрицательных частиц степень окисления понижается, например Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Так определяют, какой элемент принимает электроны.

Окислитель — частица, принимающая электроны и сама восстанавливающаяся. Она заставляет другую частицу отдавать электроны, поэтому её степень окисления уменьшается. Найти окислитель можно по элементу, который понизил степень окисления.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и сама окисляющаяся. Её степень окисления возрастает, потому что атом теряет отрицательно заряженные электроны. В уравнении восстановитель поставляет электроны окислителю.

Как это устроено

При химической реакции атомы не исчезают и не возникают заново, потому что сохраняется состав атомных ядер. Меняется порядок соединения атомов и распределение электронов между частицами. Поэтому из исходных веществ образуются новые вещества с другими связями и свойствами.

В реакциях с переносом электронов одни частицы отдают электроны, а другие принимают их. Электроны нельзя передать в никуда: если одна частица теряет их, другая должна получить. Именно поэтому перенос электронов отражается изменением степеней окисления элементов.

Окисление и восстановление происходят одновременно, поскольку отданные электроны сразу принимаются другой частицей. Отдельно потеря электронов нарушила бы сохранение электрического заряда. Поэтому реакции, в которых идут оба процесса, называют окислительно-восстановительными, или ОВР.

По изменению степеней окисления можно установить направление электронного перехода. Повышение степени окисления показывает окисление и указывает на восстановитель, а понижение показывает восстановление и указывает на окислитель. Такой порядок действий позволяет разобраться в реакции даже без изображения движения электронов.

Не во всех реакциях степени окисления меняются. Например, при обмене ионами в реакции AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃ сами ионы сохраняют прежние степени окисления. Значит, образования осадка достаточно для химического превращения, но переноса электронов нет.

Классификация реакций по изменению степеней окисления

Пользуйтесь таблицей так: сначала сравните степени окисления элементов слева и справа от стрелки. Если они изменились, ищите отдачу и принятие электронов; если нет, реакция относится к другому типу.

Внешний признак реакции сам по себе не определяет её вид. Осадок, газ или изменение цвета могут появляться и в ОВР, и в реакциях без переноса электронов.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите, является ли реакция Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ окислительно-восстановительной. Нужно сравнить степени окисления цинка и водорода в исходных веществах и продуктах.

1. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnCl₂ цинк имеет степень окисления +2.
2. В HCl водород имеет степень окисления +1, а в простом веществе H₂ — 0.
3. Цинк изменился от 0 до +2 и окислился, а водород изменился от +1 до 0 и восстановился. Значит, степени окисления изменились в двух направлениях.

Ответ: реакция является окислительно-восстановительной. Цинк отдаёт электроны, а ионы водорода принимают их.

Задача 2

Условие: для реакции 2Mg + O₂ → 2MgO укажите окисляющийся и восстанавливающийся элементы, окислитель и восстановитель. Для этого проследим за степенями окисления магния и кислорода.

1. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны 0.
2. В MgO магний имеет +2, а кислород −2. Магний повысил степень окисления и отдал электроны, поэтому он окислился.
3. Кислород понизил степень окисления от 0 до −2 и принял электроны. Следовательно, кислород — окислитель, а магний — восстановитель.

Ответ: окисляется магний, восстанавливается кислород. Окислитель — O₂, восстановитель — Mg.

Задача 3

Условие: расставьте коэффициенты в уравнении Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ и определите окислитель и восстановитель. Сначала установим изменения степеней окисления, затем составим электронный баланс.

1. Железо в Fe₂O₃ имеет +3, а в Fe — 0, поэтому два атома Fe принимают 6 электронов: 2Fe³⁺ + 6e⁻ → 2Fe⁰.
2. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4, поэтому один атом C отдаёт 2 электрона. Для шести электронов нужны три атома углерода, значит, ставим 3 перед CO и 3 перед CO₂.
3. После этого число атомов совпадает: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо восстанавливается, поэтому Fe₂O₃ — окислитель, а углерод в CO окисляется, поэтому CO — восстановитель.

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

Типичные ошибки

Ошибка: называть окислителем вещество, которое отдаёт электроны. Так происходит из-за сходства слов «окислитель» и «окисляется», но окислитель сам принимает электроны и восстанавливается. Проверка: найдите частицу с понизившейся степенью окисления.

Ошибка: считать, что окисление может идти без восстановления. Отданные электроны должны быть приняты другой частицей, поэтому два процесса связаны законом сохранения заряда. Проверка: для каждого отдающего электроны элемента найдите принимающий.

Ошибка: путать заряд и степень окисления. Заряд относится ко всему иону, а степень окисления условно приписывают отдельному атому в составе вещества. Проверка: спросите себя, рассматриваете ли вы самостоятельную частицу или атом внутри соединения.

Ошибка: считать любую химическую реакцию окислительно-восстановительной. В реакциях обмена ионами степени окисления могут оставаться прежними. Проверка: сравните степени окисления всех элементов до и после реакции.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно уметь определять степени окисления элементов в простых веществах и соединениях. Она опирается на представления о строении атома, электронах и химической связи: именно электроны переходят или перераспределяются при реакции. Понимание электронного переноса понадобится при изучении электрохимических процессов и составлении уравнений реакций.

Что запомнить

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