Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой изменяются степени окисления атомов и происходит перенос электронов. Для распознавания такой реакции сравнивают степени окисления элементов до и после превращения. Если хотя бы одна изменилась, перед нами ОВР.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, используемый для отслеживания перехода электронов. Это не всегда настоящий заряд атома, а удобная расчётная величина. Она показывает, в каком направлении меняется электронное состояние элемента.

Окислитель — частица, принимающая электроны и понижающая свою степень окисления. Он помогает другой частице отдать электроны, поэтому его роль можно установить по уменьшению степени окисления. В уравнении окислитель может быть отдельным ионом или входить в состав вещества.

Восстановитель — частица, отдающая электроны и повышающая свою степень окисления. По этой роли определяют, какая частица отдаёт электроны в реакции. Окислитель и восстановитель участвуют в одном превращении, хотя изменяются в противоположных направлениях.

Как это устроено

Когда частица отдаёт электроны, в ней становится меньше отрицательного заряда, поэтому её условная степень окисления повышается. Частица, которая принимает эти электроны, получает дополнительный отрицательный заряд, и её степень окисления понижается. Поэтому изменение степеней окисления позволяет проследить направление передачи электронов, даже если в реакции нет свободных электронов.

Окисление и восстановление происходят одновременно, потому что электрон не может исчезнуть или возникнуть сам по себе в химическом превращении. Если одна частица отдала электроны, другая должна их принять. Поэтому ОВР всегда включает и окисляемую частицу, и восстанавливаемую, а их электронные изменения взаимно уравновешиваются.

Степени окисления определяют по правилам. У простого вещества, например Zn или Cl₂, степень окисления равна нулю; у одноатомного иона она равна заряду иона. В нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, а в сложном ионе — заряду этого иона. Используя эти условия и известные значения некоторых элементов, находят неизвестную степень окисления.

Сначала находят степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах, затем сравнивают их. Повышение означает окисление и указывает на восстановитель: отдавая электроны, он сам окисляется. Понижение означает восстановление и указывает на окислитель: принимая электроны, он сам восстанавливается. Вещество, содержащее изменившийся атом, называют окисляемым или восстанавливаемым соответственно.

Для расстановки коэффициентов составляют электронный баланс: записывают изменения степеней окисления и число отданных или принятых электронов. Подбирают коэффициенты перед частицами так, чтобы общее число отданных электронов равнялось числу принятых. Полученное соотношение переносят в уравнение, после чего уравнивают остальные атомы и проверяют число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.

Процессы и участники окислительно-восстановительной реакции

Пользуйтесь таблицей, чтобы не путать процесс и участника реакции: окисление — процесс, восстановитель — частица. Сначала проследите за изменением степени окисления, затем определите перенос электронов и роль частицы. Так легче избежать ошибки, когда название участника принимают за название происходящего с ним процесса.

Разбор задач

Цинк и сульфат меди

Задача: в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu определите, какое вещество окисляется и восстанавливается, а также назовите окислитель и восстановитель. Нужно сравнить степени окисления цинка и меди до и после реакции. Сульфат-ион в этом превращении сохраняется, поэтому ключевые изменения происходят у Zn и Cu.

1. В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnSO₄ цинк имеет степень окисления +2. Значит, цинк отдаёт два электрона и окисляется. Поэтому Zn — восстановитель.

2. В CuSO₄ медь имеет степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0. Медь принимает два электрона и восстанавливается. Следовательно, Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислитель.

Ответ: цинк окисляется и является восстановителем, а ионы меди Cu²⁺ восстанавливаются и являются окислителем. Электронный переход можно записать так: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺; Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Число отданных и принятых электронов одинаково, поэтому коэффициенты в данном уравнении равны 1.

Баланс с перманганатом

Задача: расставьте коэффициенты в уравнении FeCl₂ + KMnO₄ + HCl → FeCl₃ + MnCl₂ + KCl + H₂O. В кислой среде ион MnO₄⁻ превращается в Mn²⁺, а Fe²⁺ превращается в Fe³⁺. По этим изменениям составим баланс, а затем проверим остальные атомы.

1. Железо меняет степень окисления с +2 на +3 и отдаёт один электрон: Fe²⁺ − e⁻ → Fe³⁺. Марганец меняет степень с +7 на +2 и принимает пять электронов. Чтобы уравнять электронный обмен, нужно взять пять ионов Fe²⁺ на один ион MnO₄⁻.

2. Записываем коэффициенты перед веществами: 5FeCl₂ + KMnO₄ + HCl → 5FeCl₃ + MnCl₂ + KCl + H₂O. Калий даёт коэффициент 1 перед KCl, а для уравнивания кислорода из KMnO₄ ставим 4 перед H₂O. Тогда для водорода требуется 8HCl.

Получается уравнение 5FeCl₂ + KMnO₄ + 8HCl → 5FeCl₃ + MnCl₂ + KCl + 4H₂O. Проверка показывает: слева и справа по 5 атомов Fe, 1 Mn, 1 K, 4 O, 8 H и 18 Cl. Ответ: коэффициенты равны 5, 1, 8, 5, 1, 1, 4.

Превращение хлора в щёлочи

Задача: расставьте коэффициенты и определите тип превращения в уравнении Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. В Cl₂ степень окисления хлора равна 0. В продуктах хлор имеет степени −1 в NaCl и +1 в NaClO, поэтому один элемент изменяется в двух направлениях.

1. Часть атомов хлора принимает по одному электрону и переходит из 0 в −1: это восстановление. Другая часть отдаёт по одному электрону и переходит из 0 в +1: это окисление. Число принятых и отданных электронов совпадает при соотношении этих превращений 1:1.

2. Для двух атомов хлора из одной молекулы Cl₂ ставим по одному атому в NaCl и NaClO. Затем уравниваем натрий, добавляя 2NaOH, а кислород и водород — добавляя H₂O. Получаем Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.

Ответ: уравнение уравнено коэффициентами 1, 2, 1, 1, 1. Это диспропорционирование — ОВР, в которой один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается. Проверка атомов подтверждает равенство числа Cl, Na, O и H в обеих частях уравнения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать окислителем вещество, степень окисления которого повышается. Так происходит, если смешать название участника с изменением, которое происходит с ним самим. Проверка простая: окислитель принимает электроны, значит, его степень окисления понижается.

Ошибка: определять окисление только по присоединению кислорода. Это исторически знакомый признак, но он не подходит для многих реакций без кислорода, например для взаимодействия цинка с ионами меди. Сравните степени окисления: их повышение показывает окисление независимо от наличия кислорода.

Ошибка: забывать, что сумма степеней окисления должна соответствовать заряду частицы. Иногда значения определяют для каждого атома по отдельности, не проверяя общий итог. В нейтральном соединении сумма равна нулю, а в ионе — его заряду; пересчитайте сумму перед тем, как делать вывод об ОВР.

Ошибка: уравнять число атомов и не проверить электронный баланс. Её допускают, когда коэффициенты подбирают только обычным подсчётом атомов, игнорируя изменение степеней окисления. Сопоставьте число отданных и принятых электронов: если оно различается, коэффициенты для ОВР нужно пересмотреть.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР нужны знания о строении атома, валентности и степенях окисления, а также умение составлять формулы веществ. Тема связана с уравнениями реакций и ионными уравнениями: сначала определяют превращения частиц, затем подбирают коэффициенты электронным балансом. Понимание ОВР помогает объяснить работу гальванических элементов и электролиз, коррозию металлов и горение.

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.
• Окисление и восстановление всегда происходят одновременно.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.
• По изменению степеней окисления можно распознать ОВР и определить её участников.