§ 30. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, при которой степени окисления элементов меняются вследствие передачи электронов. Степень окисления — условный заряд атома, рассчитанный так, как если бы общие электроны связей принадлежали более электроотрицательному элементу. Это понятие помогает определить, какие частицы участвуют в передаче электронов.

Окисление — отдача электронов атомом или частицей, при которой степень окисления повышается. Например, Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻: цинк отдаёт два электрона, а его степень окисления увеличивается. Такое определение применимо и в тех реакциях, где кислород не участвует.

Восстановление — присоединение электронов, сопровождаемое понижением степени окисления. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰: ион меди принимает электроны и превращается в атом. По изменению степени окисления можно проверить, действительно ли частица восстановилась.

Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Название роли указывает на то, что вещество делает с партнёром: окислитель вызывает окисление другого участника, а восстановитель — его восстановление. Поэтому роли удобно определять после сравнения степеней окисления до реакции и после неё.

Как это устроено

Чтобы проверить, является ли реакция ОВР, находят степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах, а затем сравнивают. Если хотя бы у одного элемента степень окисления изменилась, произошла передача электронов и реакция относится к ОВР. Если все степени окисления сохранились, реакция идёт без изменения электронных состояний элементов, даже если вещества заметно преобразовались.

Электроны при реакции переходят от одних частиц к другим, но не исчезают и не появляются сами собой. Поэтому отдача электронов одной частицей обязательно связана с их присоединением другой: окисление и восстановление — две стороны единого процесса. В уравнении число отданных электронов всегда должно равняться числу принятых, иначе нарушился бы баланс заряда.

По знаку изменения степени окисления определяют процесс: её повышение означает окисление, а понижение — восстановление. Частица, в которой степень повысилась, отдала электроны и является восстановителем; частица с понизившейся степенью приняла их и является окислителем. Так по составу продуктов можно установить роли участников, даже если свободные электроны в молекулярном уравнении не записаны.

Метод электронного баланса позволяет согласовать изменения степеней окисления с коэффициентами. Сначала записывают элементы, чьи степени изменились, и указывают, сколько электронов отдаёт или принимает один атом; затем учитывают число таких атомов и подбирают множители, чтобы суммарное число электронов совпало. Полученные соотношения задают коэффициенты перед веществами с этими элементами, после чего уравнивают остальные атомы и проверяют все элементы.

Диспропорционирование — особый случай ОВР: атомы одного элемента в исходном веществе превращаются в продукты, где этот элемент имеет и более высокую, и более низкую степень окисления. Это возможно, если исходная степень окисления допускает оба направления изменения. Одна часть атомов при этом отдаёт электроны, другая принимает их, поэтому оба процесса идут внутри одной реакции.

Изменение степени окисления и роль участника реакции

Сначала найдите, у какого элемента изменилась степень окисления, а затем определите направление изменения. Повышение указывает на окисление и восстановитель, понижение — на восстановление и окислитель. Таблица помогает не перепутать название процесса с ролью вещества.

Разбор задач

Задача: для реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите, какие частицы окисляются и восстанавливаются, и укажите окислитель и восстановитель.

1. Определяем степени окисления: в простом веществе Zn она равна 0, а в ZnSO₄ цинк имеет +2. У меди в CuSO₄ степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0.
2. Сравниваем изменения: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻, значит, цинк отдаёт электроны и окисляется. Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰, значит, ион меди принимает электроны и восстанавливается.
3. Называем роли: Zn — восстановитель, потому что отдаёт электроны; Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислитель, потому что принимает их. Для этих изменений коэффициенты по электронному балансу равны 1: один атом цинка отдаёт ровно столько электронов, сколько принимает один ион меди.

Ответ: окисляется Zn, восстанавливается Cu²⁺; восстановитель — Zn, окислитель — CuSO₄ (точнее, ион Cu²⁺).

Задача: расставьте коэффициенты методом электронного баланса в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.

1. Находим изменения степеней окисления: железо в Fe₂O₃ имеет +3, а в Fe — 0; углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4. Следовательно, железо принимает электроны, а углерод отдаёт.
2. Составляем баланс: два атома Fe принимают 2 · 3 = 6 электронов, а один атом C отдаёт 2 электрона. Чтобы углерод отдал 6 электронов, нужно три атома C, поэтому перед CO ставим 3.
3. Ставим коэффициент 2 перед Fe, чтобы уравнять железо, и проверяем кислород: слева в Fe₂O₃ и 3CO всего 6 атомов O, значит, справа нужны 3CO₂. Итоговое уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: коэффициенты 1, 3, 2, 3; окислитель — Fe₂O₃ (железо Fe³⁺), восстановитель — CO (углерод).

Задача: расставьте коэффициенты и укажите окислитель и восстановитель в реакции Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.

1. В Cl₂ степень окисления хлора равна 0. В NaCl хлор имеет −1, а в NaClO — +1, то есть атомы одного исходного элемента меняют степень окисления в двух направлениях.
2. Часть атомов хлора принимает электроны и восстанавливается: Cl⁰ + e⁻ → Cl⁻. Другая часть отдаёт электроны и окисляется: Cl⁰ → Cl⁺ + e⁻; число электронов совпадает при соотношении хлора 1:1.
3. Подбираем коэффициенты и проверяем атомы: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. По обе стороны два атома Na, два Cl, два O и два H.

Ответ: Cl₂ и NaOH → NaCl + NaClO + H₂O; окислитель и восстановитель — хлор Cl₂, поскольку его атомы одновременно принимают и отдают электроны. Реакция является диспропорционированием.

Типичные ошибки

Ошибка: считать окислителем вещество, которое отдаёт электроны. Так можно подумать, если ориентироваться на то, что оно активно участвует в окислении другого вещества, но роль называют по собственному изменению частицы. Проверьте себя: окислитель принимает электроны и его степень окисления понижается.

Ошибка: называть окислением любое присоединение кислорода. Такое упрощение встречается в знакомых примерах горения, однако оно не охватывает реакции без кислорода и не всегда даёт верный признак. Определяйте процесс по отдаче электронов и повышению степени окисления.

Ошибка: считать, что в реакции может идти только окисление или только восстановление. Отдача электронов без их приёма нарушила бы сохранение заряда, поэтому процессы связаны. Проверьте уравнение: для каждого изменения со знаком «отдача» должно найтись изменение с приёмом электронов.

Ошибка: уравнивать в электронном балансе только число изменившихся атомов. Разные атомы могут отдавать или принимать неодинаковое число электронов, поэтому равенство числа атомов ещё не гарантирует баланс. Умножайте изменение для одного атома на число таких атомов и проверяйте именно общее количество отданных и принятых электронов.

Связь с другими темами

Для определения ОВР нужно знать правила расчёта степеней окисления в простых и сложных веществах: без них нельзя увидеть, какие элементы изменили состояние. Передача электронов связана с электронным строением атомов и химической связью, а запись превращений в растворах — с ионными уравнениями. Понятия окислителя и восстановителя понадобятся при изучении электрохимии, электролиза, коррозии и химических источников тока.

Что запомнить

• Окислительно-восстановительная реакция сопровождается изменением степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Число отданных электронов в реакции равно числу присоединённых.
• При диспропорционировании атомы одного элемента одновременно окисляются и восстанавливаются.