Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой изменяются степени окисления атомов. Степень окисления — условная величина, которую приписывают атому по правилам распределения электронов. По её изменениям можно отличить ОВР от реакций, в которых состав частиц меняется без переноса электронов.

Окисление — процесс повышения степени окисления элемента; ему соответствует отдача электронов или формальное смещение электронной плотности от атома. Например, переход Zn⁰ → Zn²⁺ сопровождается отдачей двух электронов. Это понятие помогает определить, какой элемент теряет электроны и в какую сторону меняется его состояние.

Восстановление — процесс понижения степени окисления элемента; ему соответствует принятие электронов или формальное смещение электронной плотности к атому. Например, Cu²⁺ → Cu⁰ означает принятие двух электронов. Это определение позволяет узнать, какой элемент получает электроны в реакции.

Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Названия относятся к реагентам: окислитель вызывает окисление другой частицы, а восстановитель — её восстановление. Различать реагент и происходящий с ним процесс нужно, чтобы правильно назвать участников реакции.

Как это устроено

Чтобы найти степени окисления, сначала применяют правила для простых случаев: у атомов простого вещества она равна нулю, а у одноатомного иона — его заряду. В соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, поскольку вещество в целом нейтрально. Для многоатомного иона эта сумма равна заряду иона, поэтому неизвестную степень окисления находят из равенства. Например, в SO₄²⁻ кислород обычно имеет степень окисления −2, значит x + 4 · (−2) = −2 и сера имеет +6.

Далее сравнивают степени окисления одного и того же элемента до и после реакции. Если значение стало выше, элемент окислился; если ниже — восстановился. Например, переход от 0 к +2 указывает на окисление, а от +2 к 0 — на восстановление. Другие элементы, чьи значения не изменились, в этих процессах не участвуют.

Отдача электронов не происходит отдельно от их принятия: электрон не исчезает и не возникает в обычной химической реакции. Поэтому частица, отдающая электроны, должна встретить частицу, которая их примет. Число отданных электронов равно числу принятых, хотя сами частицы могут отдавать и принимать разное их количество.

Чтобы определить реагенты, отслеживают изменение степени окисления конкретного элемента. Частица, в составе которой степень окисления повышается, отдаёт электроны и является восстановителем; та, где значение понижается, принимает электроны и является окислителем. Не следует называть восстановителем процесс отдачи электронов: восстановитель — это реагирующее вещество, а окисление — процесс, который с ним происходит.

Метод электронного баланса использует равенство отданных и принятых электронов. Сначала записывают изменения степеней окисления и считают, сколько электронов приходится на один атом, затем подбирают наименьшие множители, уравнивающие обе стороны баланса. Эти множители переносят в уравнение как коэффициенты, а остальные коэффициенты находят по числу атомов. В конце проверяют каждый элемент по обе стороны уравнения.

Окисление и восстановление в окислительно-восстановительной реакции

Используйте таблицу, чтобы сопоставить изменение степени окисления с движением электронов и ролью реагента. Сначала определите, повышается значение или понижается, а затем установите, кто отдаёт или принимает электроны. Так легче не перепутать окислитель с частицей, которая окисляется.

Разбор задач

1. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Условие: укажите элементы, степени окисления которых изменяются, и определите, где происходят окисление и восстановление. Сульфат-ион SO₄²⁻ сохраняет состав, поэтому достаточно проследить за цинком и медью. Используем правила: простое вещество имеет степень окисления 0, а в соли цинк обычно +2.

1. В исходных веществах Zn имеет 0, а Cu в CuSO₄ имеет +2, так как SO₄²⁻ несёт заряд −2.
2. В продуктах Zn в ZnSO₄ имеет +2, а металлическая Cu — 0.
3. Цинк меняет степень окисления 0 → +2 и отдаёт два электрона: это окисление. Медь меняет +2 → 0 и принимает два электрона: это восстановление.

Ответ: окисляется Zn, восстанавливается Cu; степени окисления изменяются у цинка и меди. Следовательно, Zn — восстановитель, а Cu²⁺ в составе CuSO₄ — окислитель. Число электронов, отданных цинком, совпадает с числом электронов, принятых ионами меди.

2. 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

Условие: определите окислитель и восстановитель, а также процессы окисления и восстановления. В левой части записаны простые вещества, поэтому у Al и Cl₂ степени окисления равны нулю. В AlCl₃ алюминий имеет +3, а хлор −1: сумма значений для нейтрального вещества равна нулю.

1. Алюминий изменяет степень окисления 0 → +3. Каждый атом Al отдаёт три электрона, следовательно, он окисляется.
2. Хлор изменяет степень окисления 0 → −1. Молекула Cl₂ принимает два электрона, по одному на каждый атом Cl, поэтому хлор восстанавливается.
3. В уравнении два атома Al отдают 2 · 3 = 6 электронов, а три молекулы Cl₂ принимают 3 · 2 = 6 электронов. Значит, электронный баланс соблюдён.

Ответ: Al — восстановитель и окисляется; Cl₂ — окислитель и восстанавливается. Коэффициенты уравнения 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ согласуются с балансом электронов. Проверка по атомам также показывает, что слева и справа по два атома Al и шесть атомов Cl.

3. Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Условие: расставьте коэффициенты методом электронного баланса и определите окислитель с восстановителем. Кислород в этих соединениях имеет степень окисления −2. Поэтому железо в Fe₂O₃ имеет +3, углерод в CO — +2, а в CO₂ — +4.

1. Железо меняет +3 → 0: два атома Fe принимают вместе шесть электронов. Углерод меняет +2 → +4: каждый атом C отдаёт два электрона.
2. Чтобы отдать шесть электронов, нужны три атома углерода: 3 · 2 = 6. Поэтому перед CO и CO₂ ставим коэффициенты 3.
3. Теперь уравниваем остальные атомы: три CO дают шесть атомов O, вместе с тремя атомами O из Fe₂O₃ получается шесть атомов O для трёх CO₂. Железа два атома, поэтому перед Fe ставим 2.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Окислитель — Fe₂O₃, точнее железо Fe³⁺ в его составе: оно принимает электроны и восстанавливается. Восстановитель — CO, поскольку углерод отдаёт электроны и окисляется; число атомов каждого элемента в уравнении совпадает.

Типичные ошибки

Иногда окислителем называют частицу, которая сама окисляется. Ошибка возникает из-за сходства слов, но окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Проверьте название по направлению изменения степени окисления: у окислителя она понижается.

Другая ошибка — считать, что окисление может пройти без восстановления в той же реакции. Она появляется, если рассматривать электронный обмен только со стороны одной частицы. Электроны должны быть приняты другой частицей, поэтому сравните их количество: отдача и принятие должны уравновешиваться.

Степень окисления иногда принимают за реальный заряд каждого атома в соединении. Это условная величина, а не обязательно фактический заряд: в ковалентных веществах электроны могут быть общими. Проверяйте, о каком типе величины говорится, и не ставьте знак заряда на основании одной лишь степени окисления.

Коэффициенты могут подбирать только по числу атомов, забывая об электронном балансе. Тогда формула иногда выглядит уравненной по атомам, но не отражает нужного соотношения окисления и восстановления. Сначала уравняйте число отданных и принятых электронов, затем проверьте число атомов всех элементов.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР нужны знания о составе атома и иона, химических формулах и зарядах ионов. Правила определения степени окисления опираются на умение читать формулы и учитывать суммарный заряд частицы. Если эти основы знакомы, становится проще находить изменения в сложных веществах и ионах.

Окислительно-восстановительные процессы лежат в основе электрохимии, работы гальванических элементов и электролиза. Они также помогают объяснить получение веществ и превращение одного вещества в другое. Понимание переноса электронов связывает уравнения реакций с практическими химическими процессами.

Что запомнить

• Повышение степени окисления — окисление.
• Понижение степени окисления — восстановление.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.
• Окислитель принимает электроны и восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и окисляется.
• В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых.