"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Окислители и восстановители участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, где одни частицы принимают электроны, а другие их отдают. По изменению степеней окисления можно определить роль вещества и составить электронный баланс. К важнейшим окислителям относятся кислород, галогены, перманганаты, дихроматы и некоторые кислоты, а к восстановителям — активные металлы, водород, углерод и соединения элементов в низких степенях окисления. Их свойства зависят от среды и условий реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Окислитель — частица или вещество, принимающее электроны и понижающее степень окисления. Получая электроны, оно само восстанавливается. Это понятие помогает найти участника, который «забирает» электроны в ОВР.
Восстановитель — частица или вещество, отдающее электроны и повышающее степень окисления. Отдав электроны, оно само окисляется. Так называют участника, который передаёт электроны другому веществу.
Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой одновременно происходят отдача и принятие электронов. В ней обязательно изменяются степени окисления хотя бы двух элементов. Анализ такого изменения позволяет составить электронный баланс.
Окислительно-восстановительная способность — способность вещества выступать окислителем или восстановителем в данных условиях. Она зависит от состава вещества, степеней окисления, среды, температуры и других факторов. Поэтому одну формулу нельзя оценивать отдельно от конкретной реакции.
Окислитель принимает электроны, потому что в реакции ему энергетически выгодно перейти в более восстановленное состояние. После присоединения электронов положительный заряд частицы уменьшается или степень окисления элемента становится ниже. Восстановитель, наоборот, отдаёт электроны другой частице и поэтому сам переходит в более окисленное состояние.
Степень окисления помогает предположить роль элемента. Если она уже высокая, дальнейшее повышение часто затруднено, поэтому частица обычно принимает электроны и проявляет окислительные свойства. Если степень окисления низкая, элемент чаще может отдать электроны, то есть выступить восстановителем.
Это правило не является абсолютным. Вещество в промежуточной степени окисления способно как принимать, так и отдавать электроны, в зависимости от партнёра по реакции. Кроме того, на результат влияют среда, концентрация, температура и устойчивость образующихся продуктов.
К важным окислителям относятся кислород и озон, галогены, перманганаты и дихроматы. Окислительные свойства проявляют также пероксид водорода, азотная кислота и концентрированная серная кислота. Они могут окислять металлы, неметаллы и ионы с низкой степенью окисления, но продукты восстановления зависят от условий.
Важнейшие восстановители — активные металлы, водород, углерод, оксид углерода(II), сульфиты, сульфиды и ионы металлов в низких степенях окисления. Их частицы легко отдают электроны более сильному окислителю. Одно и то же вещество может изменить роль при смене среды или реагента: например, H₂O₂ бывает и окислителем, и восстановителем.
В таблице сначала определяйте роль вещества, затем смотрите, как меняется степень окисления и какие условия нужны для реакции. Формулировка «обычно» означает, что возможны другие продукты при изменении среды или соотношения реагентов. Для окончательного вывода всегда проверяйте конкретное уравнение.
| Вещество или частица | Роль | Что происходит со степенью окисления | Типичные продукты или условия | Пример применения в ОВР |
|---|---|---|---|---|
| Кислород и озон | Окислители | O⁰ обычно понижается до −II | Горение, окисление веществ; озон действует сильнее O₂ | 2Mg + O₂ → 2MgO |
| Галогены и ионы галогенов | Галогены — окислители; галогениды — восстановители | Cl⁰, Br⁰, I⁰ понижаются до −I; X⁻ может окисляться | Активность галогенов уменьшается от F₂ к I₂ | Cl₂ + 2I⁻ → 2Cl⁻ + I₂ |
| Перманганат- и дихромат-ионы | Сильные окислители | Mn⁺⁷ и Cr⁺⁶ понижаются | KMnO₄: Mn²⁺ в кислой, MnO₂ в нейтральной среде; Cr₂O₇²⁻ → Cr³⁺ | MnO₄⁻ + Fe²⁺ + H⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ + H₂O |
| Пероксид водорода | Окислитель или восстановитель | O⁻ понижается до −II или повышается до 0 | Роль зависит от партнёра и среды | H₂O₂ + 2I⁻ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O |
| Азотная и концентрированная серная кислоты | Окислители | N⁺⁵ и S⁺⁶ понижаются | HNO₃ даёт NO, NO₂ и другие продукты; H₂SO₄ часто восстанавливается до SO₂ | Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O |
| Активные металлы | Восстановители | Me⁰ повышается до положительной степени | Отдают электроны и переходят в катионы | Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu |
| Водород, углерод и оксид углерода(II) | Восстановители | H⁰, C⁰ или C⁺² повышаются | Восстановление оксидов металлов при нагревании | CuO + H₂ → Cu + H₂O |
| Сульфиты, сульфиды и ионы металлов в низких степенях окисления | Восстановители | S⁺⁴, S⁻² и металл повышают степень окисления | Окисляются до сульфатов, серы или более высоких степеней | SO₃²⁻ + H₂O₂ → SO₄²⁻ + H₂O |
Рассмотрим реакции Fe + CuSO₄ и Cl₂ + 2KI. Нужно установить, кто принимает и кто отдаёт электроны, а затем назвать окислитель и восстановитель. Ионы SO₄²⁻ и K⁺ в этих схемах не изменяют степеней окисления.
Ответ: в Fe + CuSO₄ окислитель — Cu²⁺, восстановитель — Fe; в Cl₂ + 2KI окислитель — Cl₂, восстановитель — I⁻. Степени окисления изменяются Fe: 0 → +2, Cu: +2 → 0, Cl: 0 → −1, I: −1 → 0.
В кислой среде перманганат-ион восстанавливается до Mn²⁺. Ион Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺, поэтому он является восстановителем. Уравнивание удобно начать с электронного баланса, а затем добавить H⁺ и H₂O.
Ответ: окислитель — MnO₄⁻, восстановитель — Fe²⁺. Кислая среда необходима для образования Mn²⁺ и правильного баланса атомов водорода и кислорода.
Медь не вытесняет водород из азотной кислоты, потому что окислителем выступает азот N⁺⁵. Концентрация кислоты определяет, до какого продукта восстанавливается азот: в разбавленной кислоте обычно образуется NO, а в концентрированной — NO₂.
Ответ: разбавленная HNO₃ даёт NO, концентрированная — NO₂. В обеих реакциях Cu — восстановитель, а HNO₃ — окислитель.
Ошибка 1. Окислителем называют вещество, которое окисляется. Так происходит из-за смешения названия роли с изменением степени окисления. Проверьте себя: окислитель принимает электроны и его степень окисления понижается.
Ошибка 2. Любое вещество с кислородом считают сильным окислителем. Наличие кислорода само по себе ничего не доказывает: важны состав, степени окисления и условия. Сравните изменения степеней окисления в конкретном уравнении.
Ошибка 3. Игнорируют среду при использовании KMnO₄ или H₂O₂. Из-за этого записывают неверный продукт восстановления или окисления. Перед балансом определите, является ли среда кислой, нейтральной или щелочной.
Ошибка 4. Роль вещества определяют только по формуле. Один и тот же реагент может быть окислителем или восстановителем в разных реакциях. Сначала сравните степени окисления слева и справа, а затем называйте роль частицы.
Для изучения темы нужны правила определения степеней окисления, понятия окисления и восстановления и электронный баланс. Эти знания позволяют составлять уравнения ОВР, объяснять свойства металлов и неметаллов и выбирать реагенты в качественном анализе. Позже они понадобятся при изучении электрохимии, гальванических элементов, электролиза, коррозии и промышленного получения веществ.
Почему окислитель сам восстанавливается?
Окислитель принимает электроны у другой частицы. Приобретение электронов приводит к понижению степени окисления, то есть к восстановлению самого окислителя.
Может ли одно и то же вещество быть и окислителем, и восстановителем?
Да, если в разных реакциях оно взаимодействует с частицами разной окислительной способности. Например, пероксид водорода может принимать электроны и восстанавливаться или отдавать их и окисляться.
Почему KMnO4 даёт разные продукты в кислой, нейтральной и щелочной среде?
Среда влияет на то, насколько глубоко восстанавливается марганец в перманганат-ионе. В кислой среде образуется Mn²⁺, в нейтральной обычно MnO₂, а в щелочной — MnO₄²⁻.
Как быстро определить окислитель и восстановитель в уравнении реакции?
Сначала сравните степени окисления элементов слева и справа. Частица, у которой степень окисления понизилась, была окислителем, а частица с повысившейся степенью окисления — восстановителем.
Почему концентрированная H2SO4 и разбавленная H2SO4 реагируют с металлами по-разному?
В разбавленной серной кислоте окислителем обычно выступают ионы H⁺, поэтому выделяется водород. В концентрированной кислоте окислительные свойства проявляет S⁺⁶, который восстанавливается чаще всего до SO₂, а водород обычно не выделяется.
12.2. Наиболее важные окислители и восстановители
