§ 20. Составление окислительно-восстановительных реакций*

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который находят по правилам распределения электронов. В простых веществах она равна нулю, а в соединении сумма степеней окисления атомов с учётом их числа связана с общим зарядом частицы. Это обозначение нужно, чтобы сравнить состояние элемента до и после реакции и обнаружить перенос электронов.

Окисление — процесс отдачи электронов, при котором степень окисления элемента повышается. Например, атом Zn отдаёт два электрона: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Такое изменение помогает распознать участника, который отдаёт электроны в реакции.

Восстановление — процесс присоединения электронов, при котором степень окисления элемента понижается. Например, ион Cu²⁺ принимает два электрона: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. По снижению степени окисления можно узнать, какой участник принимает электроны.

Окислитель и восстановитель — вещества, участвующие в переносе электронов. Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Эти названия показывают роль вещества в реакции, а не просто описывают его состав.

Как это устроено

Сначала определяют степени окисления элементов в исходных веществах и в предполагаемых продуктах. Это необходимо, потому что формулы сами по себе не показывают, какие именно атомы обменялись электронами. Сравнение значений позволяет заметить изменения: неизменившиеся элементы в электронный баланс не включают. Если изменения нет ни у одного элемента, реакция не относится к ОВР.

Повышение степени окисления связывают с отдачей электронов, а понижение — с их присоединением. Когда атом теряет отрицательно заряженные электроны, его условный заряд становится более положительным; при присоединении электронов он становится более отрицательным. Процессы происходят одновременно, потому что электроны не исчезают: сколько один участник отдаёт, столько другой должен принять.

Затем по направлению изменения устанавливают роли веществ. Вещество с элементом, степень окисления которого повысилась, является восстановителем: оно отдаёт электроны и само окисляется. Вещество с элементом, степень окисления которого понизилась, является окислителем: оно принимает электроны и само восстанавливается. Роли проще определять после сравнения степеней окисления, а не по названию или внешнему виду вещества.

Для каждого элемента, изменившего степень окисления, записывают число отданных или принятых электронов одним атомом. Затем учитывают число таких атомов в формуле: например, если изменение приходится на два атома, общее число электронов удваивается. Эти числа показывают, сколько электронов участвует в превращении, и помогают подобрать соотношение веществ. Если забыть индексы, электронный баланс окажется неверным.

Коэффициенты сначала подбирают так, чтобы общее число отданных электронов равнялось общему числу принятых. Полученные множители ставят перед веществами, содержащими изменившиеся элементы, а затем уравнивают остальные вещества по числу атомов. В конце пересчитывают атомы каждого элемента слева и справа: равенство электронов ещё не гарантирует правильного уравнения. Коэффициенты при возможности сокращают до наименьших целых чисел.

Изменение степени окисления и роль участника реакции

Сопоставляй признаки по строкам: направление изменения степени окисления определяет, идёт окисление или восстановление, а изменение числа электронов помогает определить роль вещества.

Например, если степень окисления элемента возрастает, найди вещество, в котором этот элемент находится: оно выступает восстановителем. Если степень понижается, соответствующее вещество — окислитель.

Разбор задач

1. Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂

Условие: расставить коэффициенты методом электронного баланса. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnCl₂ у цинка она равна +2. В HCl водород имеет +1, а в H₂ — 0, поэтому меняются степени окисления цинка и водорода.

1. Цинк повышает степень окисления: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Он отдаёт два электрона, значит, окисляется и является восстановителем.
2. Водород понижает степень окисления: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Два атома водорода вместе принимают два электрона, поэтому они восстанавливаются.
3. Число отданных и принятых электронов уже одинаково: 2. Для двух атомов водорода нужны две молекулы HCl; хлора тогда тоже два атома, как в ZnCl₂.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.

2. Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Условие: расставить коэффициенты в уравнении. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Углерод в CO имеет +2, а в CO₂ — +4; поэтому железо принимает электроны, а углерод отдаёт.

1. Для одного атома железа: Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe⁰. В Fe₂O₃ два атома железа, значит, всего принимается 2 · 3 = 6 электронов.
2. Углерод окисляется: C²⁺ − 2e⁻ → C⁴⁺. Чтобы отдать шесть электронов, нужно три атома углерода, то есть три молекулы CO.
3. Ставим 2 перед Fe и 3 перед CO₂: это учитывает два атома железа и три атома углерода. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов, справа в трёх CO₂ тоже 6.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

3. KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Условие: уравнять реакцию перманганата калия с соляной кислотой. Марганец в KMnO₄ меняет степень окисления с +7 на +2 и принимает электроны. Хлор в HCl меняет её с −1 на 0 и отдаёт электроны.

1. Марганец принимает пять электронов: Mn⁷⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺. Хлор отдаёт два электрона на каждый атом: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂.
2. Наименьшее общее число электронов — 10: умножаем превращение марганца на 2, а превращение хлора на 5. Значит, нужны 2 атома Mn и 10 атомов хлора, отдающих электроны, то есть 5 молекул Cl₂.
3. Ставим 2 перед KMnO₄, MnCl₂ и KCl; для 5Cl₂ нужно ещё 10 атомов хлора, которые окисляются. Всего хлора в продуктах 2 в 2MnCl₂, 2 в 2KCl и 10 в 5Cl₂ — 14, поэтому перед HCl ставим 14.
4. Слева 8 атомов кислорода, поэтому справа ставим 8H₂O. Водорода справа 16, а слева после расстановки коэффициента 14; пересчёт показывает несоответствие, значит, проверяем состав: при 2KMnO₄ баланс требует 16HCl, из которых 10 атомов хлора образуют Cl₂, 4 идут в 2MnCl₂ и 2 — в 2KCl. Число HCl равняется 16, водород уравнивается 8H₂O.

Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при повышении степени окисления атом присоединяет электроны. Обычно это происходит из-за смешения слов «повышение» и «присоединение», но потеря отрицательных электронов как раз делает значение более положительным. Проверка простая: повышение означает отдачу, понижение — приём электронов.

Окислителем иногда называют вещество, которое окисляется. Название может сбивать с толку, однако окислитель окисляет другой участник, принимая у него электроны, и сам при этом восстанавливается. Чтобы проверить роль, смотри на изменение степени окисления элемента в самом веществе.

Если не учитывать индексы, число электронов подсчитывают только для одного атома, хотя в формуле их может быть несколько. Так возникает несовпадение общей отдачи и приёма. Перед подбором коэффициентов умножь изменение для одного атома на число атомов элемента в формуле.

Иногда после электронного баланса считают уравнение готовым. Но балансирует он перенос электронов, а не автоматически число всех атомов; поэтому могут остаться лишние или недостающие атомы кислорода, водорода либо других элементов. Пересчитай каждый элемент отдельно слева и справа и только после этого считай уравнение проверенным.

Связь с другими темами

Для составления электронного баланса нужно уметь определять степени окисления в простых веществах и соединениях. Это знание позволяет сравнить исходные вещества и продукты и понять, какие элементы изменили состояние. Если правила определения степеней окисления забыты, сначала восстанови их, иначе можно неверно определить участников ОВР.

Метод электронного баланса применяют в уравнениях реакций металлов, кислот, солей и других окислителей и восстановителей. Он помогает разобраться, как распределяются роли веществ и в каком соотношении они реагируют. Навык пригодится при составлении уравнений разных ОВР, а не только реакций одного типа.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• В одной окислительно-восстановительной реакции окисление и восстановление происходят одновременно.
• Число отданных электронов должно равняться числу принятых.
• После электронного баланса проверяют коэффициенты по числу атомов каждого элемента.