§ 19. Окисления не бывает без восстановления

Определения и обозначения

Окисление — процесс отдачи атомом, ионом или молекулой электронов; при этом степень окисления повышается. Например, Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺: магний отдал два электрона. Это понятие помогает заметить потерю электронов по изменению степени окисления.

Восстановление — процесс присоединения электронов, при котором степень окисления понижается. Например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰: ион меди принял два электрона. Так можно определить, какая частица получила электроны в реакции.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и окисляющаяся в ходе реакции. Она передаёт электроны другой частице и тем самым вызывает её восстановление. Это название помогает определить роль участника реакции, не путая её с его собственным изменением.

Окислитель — частица, принимающая электроны и восстанавливающаяся в ходе реакции. Приняв электроны, она способствует окислению другой частицы. По этому определению можно понять, кто в реакции принимает электроны.

Как это устроено

Чтобы распознать процессы, сравнивают степени окисления одного и того же элемента в исходном веществе и продукте. Электроны в обычной записи уравнения часто не показаны, но изменение степени окисления позволяет судить о них. Если степень окисления стала выше, частица отдала электроны и окислилась; если ниже — приняла электроны и восстановилась. Так определяют направление переноса электронов, не меняя само уравнение реакции.

Отрицательно заряженные электроны не исчезают после отдачи: они переходят к другой частице. Поэтому самостоятельная отдача электронов оставила бы их без получателя, а присоединение — без источника. В реальной химической реакции эти процессы связаны: одна частица окисляется, другая одновременно восстанавливается. Именно поэтому окисления не бывает без восстановления.

Количество электронов должно сохраняться: сколько их одна частица отдала, столько другие частицы приняли. Если отдельный атом отдаёт два электрона, это может уравновешиваться, например, приёмом двух электронов одним атомом или по одному электрону двумя атомами. При составлении электронного баланса считают электроны с учётом числа участвующих атомов и подбирают коэффициенты. Равенство этих чисел служит проверкой баланса.

Названия окислителя и восстановителя относятся к их действию на партнёра по реакции, а не к собственному превращению. Восстановитель отдаёт электроны и помогает другой частице их получить, поэтому восстанавливает её; сам он при этом окисляется. Окислитель принимает электроны и способствует отдаче электронов другой частицей, поэтому окисляет её; сам он восстанавливается. Чтобы не перепутать названия, сначала выясните, куда движутся электроны.

Сначала определяют степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах, затем находят те, которые изменились. Повышение указывает на окисление и восстановитель, понижение — на восстановление и окислитель. После этого записывают число отданных и принятых электронов и уравнивают их с помощью коэффициентов. Оставшиеся коэффициенты находят по числу атомов, а в конце проверяют всё уравнение.

Сравнение окисления и восстановления

Чтобы заполнить таблицу для конкретной реакции, сначала сравните степени окисления элемента до и после превращения. Повышение связывайте с отдачей электронов, а понижение — с их присоединением. Затем назовите частицы по их роли: отдающий электрон является восстановителем, принимающий — окислителем.

Разбор задач

Магний и кислород

В реакции 2Mg + O₂ → 2MgO требуется определить, какие частицы окисляются и восстанавливаются. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны нулю, а в MgO у магния она +2, у кислорода −2. Проследим эти изменения, чтобы связать их с переносом электронов.

1. У магния степень окисления повышается с 0 до +2, значит, каждый атом Mg отдаёт два электрона.
2. У кислорода степень окисления понижается с 0 до −2, значит, каждый атом O принимает два электрона.
3. В молекуле O₂ два атома кислорода принимают всего четыре электрона; два атома Mg отдают столько же.

Магний окисляется и является восстановителем, кислород восстанавливается и является окислителем. Число отданных и принятых электронов совпадает. Это согласуется с коэффициентами уравнения.

Цинк и сульфат меди

Для реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu нужно определить окислитель и восстановитель. В сульфатах цинк имеет степень окисления +2, медь в CuSO₄ — +2, а в простых веществах Zn и Cu она равна нулю. Сравним состояния цинка и меди до и после реакции.

1. Цинк меняет степень окисления с 0 до +2, поэтому отдаёт два электрона и окисляется.
2. Медь меняет степень окисления с +2 до 0, поэтому принимает два электрона и восстанавливается.
3. Отдающий электроны цинк — восстановитель, а принимающие их ионы Cu²⁺ — окислитель.

Ответ: восстановитель — Zn, окислитель — Cu²⁺ в составе CuSO₄. Сульфат-ион SO₄²⁻ не меняет степень окисления своих элементов и в переносе электронов не участвует. Один атом цинка отдаёт ровно столько электронов, сколько принимает один ион меди.

Электронный баланс для реакции Fe₂O₃ и CO

Расставьте коэффициенты в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. У кислорода степень окисления −2, поэтому железо в Fe₂O₃ имеет +3; в простом веществе Fe она равна 0. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4.

1. Запишем изменения: Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe⁰ — восстановление; C²⁺ − 2e⁻ → C⁴⁺ — окисление.
2. Уравняем электроны: наименьшее общее число для 3 и 2 — 6. Умножим процесс восстановления железа на 2, а процесс окисления углерода на 3.
3. В Fe₂O₃ два атома железа, поэтому получится 2Fe; для отдачи шести электронов нужны 3 атома углерода, то есть 3CO и 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо восстанавливается, а углерод окисляется; восстановитель — CO, окислитель — Fe₂O₃. Проверка показывает, что число отданных и принятых электронов равно шести, а количество атомов каждого элемента слева и справа совпадает.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать окислением только соединение вещества с кислородом. Такое представление возникает из-за названия и знакомых реакций горения, но оно не описывает все случаи. Проверка: выясните, повышается ли степень окисления и отдаёт ли частица электроны; если да, это окисление даже без кислорода.

• Ошибка — называть окислителем частицу, которая сама окисляется. Путают название процесса с ролью участника, хотя окислитель принимает электроны и восстанавливается. Проверьте направление изменения степени окисления: у окислителя она понижается.

• Ошибка — считать восстановителем вещество, которое само восстанавливается. Оно названо так потому, что передаёт электроны другой частице и восстанавливает её, а само окисляется. Проверьте, отдаёт ли частица электроны и повышается ли её степень окисления.

• Ошибка — подобрать коэффициенты электронного баланса, не сравнив число отданных и принятых электронов. Тогда коэффициенты могут не соответствовать реальному переносу электронов, даже если часть атомов уравнена. Проверьте равенство электронов, а затем отдельно пересчитайте атомы каждого элемента в уравнении.

Связь с другими темами

Для определения окисления и восстановления нужны правила нахождения степеней окисления в простых веществах и соединениях. Если их не установить правильно, нельзя понять, какая частица изменилась и в какую сторону. Поэтому перед электронным балансом проверьте степени окисления всех элементов, которые могут участвовать в превращении.

Понятия окислителя и восстановителя помогают объяснять химические свойства металлов и неметаллов: в реакциях они могут отдавать или принимать электроны. Эти же понятия используют при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций. Умение находить перенос электронов связывает описание свойств веществ с расстановкой коэффициентов.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окисление и восстановление всегда происходят одновременно.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• В реакции число отданных электронов равно числу присоединённых.