12.3. Классификация окислительно-восстановительных реакций. Подбор коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой степени окисления атомов меняются вследствие перехода электронов. Степень окисления — условный заряд атома, который используют для учёта электронов в соединении. Сравнение степеней окисления до и после реакции помогает увидеть, какие атомы отдали электроны, а какие приняли. Это позволяет распознать ОВР даже тогда, когда в уравнении не показаны отдельные ионы.

Окисление и восстановление — взаимосвязанные процессы, которые всегда происходят вместе. При окислении частица отдаёт электроны, поэтому степень окисления повышается; при восстановлении частица принимает электроны, и степень окисления понижается. Если электроны отданы одной частицей, их должна принять другая, поэтому нельзя рассматривать эти процессы по отдельности. Такое определение помогает по изменению степеней окисления правильно описать происходящее.

Окислитель и восстановитель — вещества или частицы, участвующие в передаче электронов. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Названия относятся к роли участника реакции: окислитель вызывает окисление другой частицы, а восстановитель — её восстановление. Различение этих ролей нужно, чтобы верно составить электронный баланс.

Метод электронного баланса — способ подбора коэффициентов по равенству числа отданных и принятых электронов. Сначала находят элементы с изменившимися степенями окисления и подсчитывают электронный эффект для каждого атома. Затем выбирают множители, которые уравнивают общую отдачу и принятие электронов. Полученные коэффициенты переносят в уравнение и после этого уравнивают остальные атомы.

Как это устроено

Изменение степени окисления показывает направление электронного перехода, потому что при отдаче электронов атом становится условно более положительным, а при принятии — более отрицательным. Поэтому повышение степени окисления означает окисление, а понижение — восстановление. Например, Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻ показывает отдачу двух электронов, а Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ — их принятие. Если в реакции есть такие противоположные изменения, она является ОВР.

В межмолекулярной ОВР окислитель и восстановитель входят в разные исходные вещества, поэтому электроны переходят между частицами разных реагентов. В реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu цинк отдаёт электроны, а ионы Cu²⁺ их принимают. Во внутримолекулярной ОВР оба участника находятся в одном исходном соединении, а при реакции между его элементами происходит внутреннее перераспределение электронов. Так протекает разложение KClO₃: хлор восстанавливается, а кислород окисляется.

Диспропорционирование распознают по тому, что атомы одного элемента из одной степени окисления переходят в две разные. Часть атомов отдаёт электроны, а часть принимает их, поэтому один элемент проявляет свойства и восстановителя, и окислителя. Так, в Cl₂ степень окисления хлора равна 0, а в продуктах NaCl и NaClO она становится соответственно −1 и +1. При конпропорционировании, наоборот, атомы одного элемента с разными исходными степенями окисления переходят в одну промежуточную, как в реакции Fe⁰ + Fe³⁺ → Fe²⁺.

Чтобы определить окислитель и восстановитель, сравните степени окисления элементов в реагентах и продуктах. Элемент, у которого степень окисления повысилась, отдал электроны, следовательно, исходное вещество с ним — восстановитель; понизилась — принял, значит, вещество является окислителем. Число электронов на один атом находят по разности степеней окисления, а общее число учитывает количество таких атомов. Это количество определяется индексами формул и коэффициентами перед веществами.

В электронном балансе сначала уравнивают число отданных и принятых электронов, потому что закон сохранения заряда не допускает их исчезновения или появления. Если уравнять только атомы, уравнение может выглядеть сбалансированным по составу, но описывать невозможный электронный обмен. Когда баланс составлен, его множители используют как коэффициенты перед веществами, содержащими изменяющиеся элементы. Затем уравнивают остальные атомы и проверяют их число по обе стороны; для ионных уравнений дополнительно проверяют суммарный заряд.

Классификация окислительно-восстановительных реакций

Чтобы классифицировать реакцию, сначала найдите элементы с изменившимися степенями окисления, а затем сравните их положение в реагентах. Если окислитель и восстановитель находятся в разных веществах, реакция межмолекулярная; если в одном — внутримолекулярная. Если один элемент переходит из одной исходной степени в две разные, это диспропорционирование, а переход из двух разных степеней в одну промежуточную — конпропорционирование.

Разбор задач

1. Межмолекулярная ОВР

Условие: определить тип ОВР, окислитель и восстановитель, расставить коэффициенты: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Сначала сравним состояния элементов, потому что именно их изменения показывают обмен электронами. В сульфат-ионе степень окисления серы и кислорода не меняется, поэтому рассматриваем цинк и медь. По расположению участников определим тип реакции.

1. Степень окисления Zn меняется с 0 до +2, а Cu — с +2 до 0.
2. Цинк отдаёт 2e⁻: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻. Ион меди принимает 2e⁻: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.
3. Число отданных и принятых электронов уже одинаково, поэтому множители равны 1. Окислитель — Cu²⁺ в составе CuSO₄, восстановитель — Zn; они находятся в разных веществах.
4. Проверяем атомы: Zn, Cu, S и O уже поровну. Коэффициенты во всём уравнении равны 1.

Ответ: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu; реакция межмолекулярная. Zn — восстановитель, CuSO₄ (ион Cu²⁺) — окислитель. Коэффициенты равны 1.

2. Внутримолекулярная ОВР

Условие: расставить коэффициенты и определить тип реакции KClO₃ → KCl + O₂. В одном исходном веществе есть два элемента, у которых меняются степени окисления. Поэтому до подсчёта атомов выясним, сколько электронов отдаёт один атом кислорода и сколько принимает один атом хлора. Баланс покажет соотношение, после чего уравняем формулы.

1. В KClO₃ хлор имеет степень окисления +5, кислород −2; в KCl хлор −1, в O₂ кислород 0.
2. Каждый атом Cl принимает 6e⁻: Cl(+5) + 6e⁻ → Cl(−1). Каждый атом O отдаёт 2e⁻: O(−2) → O⁰ + 2e⁻.
3. Чтобы уравнять электроны, нужно 3 атома O на один атом Cl: 6e⁻ принимаются и 6e⁻ отдаются. Значит, соотношение изменяющихся атомов Cl:O равно 1:3.
4. В одной формульной единице KClO₃ как раз один атом Cl и три атома O; уравнение 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ уравнено также по K и O.

Ответ: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂; реакция внутримолекулярная, так как окисление и восстановление происходят у разных элементов одного исходного вещества.

3. Баланс в реакции перманганата с соляной кислотой

Условие: расставить коэффициенты методом электронного баланса: KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O. Здесь марганец восстанавливается, а часть хлорид-ионов окисляется. Сначала составим баланс по этим изменениям, затем перенесём множители в уравнение. Кислород и водород уравняем в конце с помощью H₂O и HCl.

1. Mn в KMnO₄ имеет степень окисления +7, а в MnCl₂ — +2: Mn(+7) + 5e⁻ → Mn(+2).
2. Cl в HCl имеет степень окисления −1, а в Cl₂ — 0: 2Cl(−1) → Cl₂⁰ + 2e⁻. Наименьшее общее число электронов — 10, поэтому принимающую полуреакцию умножаем на 2, а отдающую — на 5.
3. Ставим коэффициенты 2 перед KMnO₄, MnCl₂ и KCl, а 5 — перед Cl₂. Для 2 атомов K нужно 2KCl; для 2 атомов Mn — 2MnCl₂. Теперь справа 16 атомов Cl: 2 в KCl, 4 в MnCl₂ и 10 в Cl₂, поэтому ставим 16 перед HCl.
4. В 2KMnO₄ есть 8 атомов O, значит, ставим 8H₂O. Водород при этом тоже уравнен: 16 атомов слева и справа. Число атомов всех элементов совпадает.

Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. Mn(+7) — окислитель, Cl(−1) — восстановитель. Электронный баланс составлен с учётом двух атомов Mn и десяти атомов Cl, участвующих в передаче электронов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать окислителем вещество, в котором степень окисления повышается. Так происходит, если перепутать роль вещества с направлением процесса: повышается степень у восстановителя, потому что он отдаёт электроны. Проверьте себя вопросом, кто принимает электроны: именно эта частица является окислителем. Её степень окисления в ходе реакции должна понизиться.

Ошибка: уравнивать только число атомов и не составлять электронный баланс. Её допускают, когда воспринимают реакцию как обычную арифметическую задачу с формулами, хотя в ОВР обязательно сохраняется число электронов. Проверьте, совпадает ли суммарное число отданных и принятых электронов. Если нет, коэффициенты не описывают правильный электронный переход, даже если некоторые атомы уже уравнены.

Ошибка: применять обычные значения степеней окисления кислорода или водорода к соединениям-исключениям. Например, в пероксидах кислород имеет степень окисления −1, а в гидридах металлов водород — −1; неверное значение исказит весь баланс. Ошибку допускают, если не проверяют тип соединения перед расчётом. Сначала определите, не относится ли формула к исключениям, и только потом ищите изменяющиеся степени.

Ошибка: не сокращать общий множитель в электронном балансе или не проверять готовое уравнение. В первом случае получаются коэффициенты не в наименьшем соотношении, во втором можно пропустить неверный индекс или коэффициент. После переноса множителей сократите их, если у всех есть общий делитель, а затем пересчитайте атомы по обе стороны. В ионном уравнении дополнительно сравните суммарные заряды.

Связь с другими темами

Для работы с ОВР нужны правила определения степеней окисления, умение составлять формулы веществ и понимание закона сохранения массы. Без этих знаний трудно обнаружить передачу электронов и проверить уравнение. Начните с определения степеней окисления всех элементов в реагентах и продуктах. Затем применяйте баланс и проверяйте число атомов.

Подбор коэффициентов в ОВР опирается на умение составлять и уравнивать обычные химические уравнения. Отличие в том, что для ОВР к подсчёту атомов добавляется обязательный электронный баланс. Освоенные действия пригодятся при изучении электрохимии и электролиза, где перенос электронов связан с электрическим током. Они также помогают разбирать свойства металлов и неметаллов в химических реакциях.

Что запомнить

• Окисление сопровождается отдачей электронов и повышением степени окисления.
• Восстановление сопровождается принятием электронов и понижением степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Число отданных электронов равно числу принятых.
• Тип ОВР определяют по расположению и изменениям степеней окисления участников.
• После расстановки коэффициентов нужно проверить все атомы, а для ионных уравнений — и суммарный заряд.