§ 1. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который помогает учитывать распределение электронов. У атомов простого вещества она равна нулю, например Fe⁰ или O₂⁰; у одноатомного иона совпадает с его зарядом. В нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, а в сложном ионе — заряду иона. Обычно кислород имеет степень окисления −2, а водород +1, что позволяет находить неизвестную степень по сумме.

Окисление — отдача электронов частицей, сопровождаемая повышением её степени окисления. Например, Fe⁰ → Fe²⁺ + 2e⁻: атом железа отдал два электрона, а его степень окисления выросла. Эта запись показывает, как распознать процесс не по внешним признакам, а по изменению состава электронов. Такой признак нужен, чтобы определить участника ОВР.

Восстановление — принятие электронов частицей и понижение её степени окисления. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰: ион меди принял два электрона и стал нейтральным атомом. Число электронов в записи показывает, сколько частиц участвует в переносе заряда. Сопоставление с окислением позволяет проверить баланс электронов.

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой одновременно происходят окисление и восстановление. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Названия указывают на действие вещества по отношению к другой частице, поэтому их легко перепутать. Чтобы определить роли, сравнивают степени окисления до и после реакции.

Как это устроено

Степень окисления условно показывает, сколько электронов атом как будто отдал или принял при образовании вещества. Поэтому при отдаче электронов частица становится более положительной или менее отрицательной, и степень окисления повышается. При принятии электронов заряд становится более отрицательным или менее положительным, а степень понижается. Именно изменение степени окисления позволяет распознать окисление и восстановление даже тогда, когда перенос электронов напрямую не виден.

В реакции электроны переходят от частицы-восстановителя к частице-окислителю. Восстановитель теряет отрицательные заряды и потому окисляется, а окислитель получает их и восстанавливается. Процессы связаны: электроны не возникают и не исчезают, поэтому сколько их отдано, столько же должно быть принято. Это правило и лежит в основе электронного баланса.

Определение степеней окисления начинают с простых правил. В простом веществе, например Zn или O₂, степень окисления равна нулю, а у одноатомного иона равна заряду: Na⁺ имеет +1, Cl⁻ — −1. В соединениях обычно O равен −2 и H равен +1, но есть исключения, поэтому при необходимости проверяют дополнительные правила. Неизвестную степень находят так, чтобы сумма с учётом числа атомов совпала с общим зарядом вещества.

Например, в CO₂ кислород имеет степень окисления −2, а атомов кислорода два. Молекула нейтральна, поэтому степень углерода x находят из равенства x + 2 · (−2) = 0; получается x = +4. В ионе SO₄²⁻ сумма степеней окисления должна быть −2, а не нулю: x + 4 · (−2) = −2, значит, S имеет +6. Такая проверка помогает не терять общий заряд частицы.

Чтобы составить электронный баланс, сначала находят элементы, чьи степени окисления изменились. Затем записывают, сколько электронов отдаётся и принимается в расчёте на один атом, учитывая число таких атомов в формулах. Коэффициенты выбирают так, чтобы общее число отданных электронов равнялось общему числу принятых; после этого проверяют остальные атомы. Метод определяет коэффициенты в ОВР, а окончательная проверка подтверждает равенство числа атомов и заряда.

Признаки окисления и восстановления и роли участников реакции

Сначала найди строку с изменением степени окисления: она помогает распознать, какой процесс произошёл. Затем по строке «Роль участвующего вещества» определи, кто был окислителем, а кто восстановителем. Помни, что название вещества связано с его действием на другую частицу, а не с тем, что происходит с ним самим.

Разбор задач

1. Цинк и сульфат меди

Условие. Определи окислитель и восстановитель в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Сравни степени окисления элементов до и после реакции и проследи переход электронов. Ионы SO₄²⁻ в этом превращении не меняются.

1. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnSO₄ цинк имеет +2, поскольку ион SO₄²⁻ имеет заряд −2. Значит, цинк отдаёт два электрона: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻. Его степень окисления повышается.
2. В CuSO₄ медь имеет +2, а в простом веществе Cu — 0. Ион меди принимает два электрона: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Его степень окисления понижается.
3. Цинк отдаёт электроны и является восстановителем, а ион Cu²⁺ принимает их и является окислителем. Число отданных и принятых электронов одинаково, поэтому уравнение уже сбалансировано по этому процессу.

Ответ. Восстановитель — Zn, окислитель — CuSO₄ (ион Cu²⁺). Изменение степеней окисления подтверждает перенос электронов от цинка к меди. Коэффициенты в уравнении равны 1.

2. Восстановление оксида железа угарным газом

Условие. Расставь коэффициенты в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ методом электронного баланса. Нужно выяснить, какие элементы меняют степени окисления и сколько электронов передаётся. После баланса проверь количество каждого атома.

1. В Fe₂O₃ кислород имеет −2, поэтому железо — +3; в простом веществе Fe степень равна 0. Каждый атом железа принимает 3e⁻, а два атома — 6e⁻: 2Fe⁺³ + 6e⁻ → 2Fe⁰.
2. В CO углерод имеет +2, а в CO₂ — +4. Один атом углерода отдаёт 2e⁻, поэтому для отдачи 6e⁻ нужны три молекулы CO: 3C⁺² → 3C⁺⁴ + 6e⁻.
3. Совпадающие количества электронов дают коэффициенты 2 перед Fe и 3 перед CO; соответствующие продукты — 3CO₂. Проверь атомы: слева 2 Fe, 3 C и 6 O, справа столько же.

Ответ. Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо восстанавливается, поэтому Fe₂O₃ выступает окислителем; углерод окисляется, поэтому CO — восстановитель. Баланс электронов равен 6e⁻ с каждой стороны.

3. Взаимодействие алюминия с кислородом

Условие. Составь и уравняй реакцию алюминия с кислородом, затем назови окислитель и восстановитель. Продукт реакции — оксид алюминия Al₂O₃. Сначала нужно установить степени окисления элементов, а затем сравнить отданные и принятые электроны.

1. В исходных веществах Al и O₂ — простые вещества, поэтому степени окисления обоих элементов равны 0. В Al₂O₃ кислород имеет −2, а алюминий +3, чтобы сумма 2 · (+3) + 3 · (−2) была равна нулю.
2. Каждый атом Al отдаёт 3e⁻, а каждый атом O принимает 2e⁻. Наименьшее общее число электронов — 6: два атома Al отдают 6e⁻, три атома O принимают 6e⁻.
3. Чтобы получить три атома кислорода, нужно 3/2 молекулы O₂. Умножаем коэффициенты на 2, чтобы убрать дробь, и получаем 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка даёт 4 атома Al и 6 атомов O с обеих сторон.

Ответ. Уравнение: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Алюминий отдаёт электроны и является восстановителем, кислород принимает их и является окислителем. Электронный баланс составляет 12e⁻.

Типичные ошибки

• Считать любую реакцию с участием кислорода окислительно-восстановительной — ошибка: наличие кислорода само по себе ничего не доказывает. Её допускают, потому что окисление часто связывают с присоединением кислорода. Проверь степени окисления всех элементов до и после реакции: если они не меняются, ОВР нет.

• Называть окислителем вещество, которое само окисляется, — значит перепутать название роли с изменением самого участника. Такая путаница возникает из-за похожих слов. Проверь, кто принимает электроны: эта частица — окислитель, хотя сама она восстанавливается.

• Забывать, что сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю, — значит неверно находить неизвестную степень. Ошибку часто допускают, считая только один атом или не учитывая индексы. Умножь степень каждого элемента на число его атомов и сравни сумму с общим зарядом формулы.

• Подбирать коэффициенты, не уравнивая число электронов, рискованно: атомы могут выглядеть уравненными, хотя баланс переноса неверен. Подбор кажется быстрым, но не показывает, какие элементы изменили степени окисления. Составь электронный баланс, затем проверь и число атомов, и равенство отданных и принятых электронов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, валентности, степенях окисления и составлении формул веществ. Эти понятия помогают определить заряд частиц и найти элементы, участвующие в переносе электронов. Электронный баланс применяют, когда составляют уравнения химических реакций и расставляют коэффициенты в ОВР. Позже тот же принцип пригодится при изучении электролиза, коррозии металлов, химических источников тока и металлургии.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — принятие электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• В ОВР окисление и восстановление происходят одновременно.
• Число отданных электронов равно числу принятых электронов.
• Электронный баланс помогает расставить коэффициенты в ОВР.