§ 17. Что такое окислительно-восстановительная реакция?

Определения и обозначения

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой изменяются степени окисления элементов. Степень окисления — условный заряд атома в веществе. Сравнение этих значений помогает отличить такую реакцию от реакции без перехода электронов.

Окисление — отдача электронов частицей, при которой степень окисления элемента повышается. Например, Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺. Это обозначение показывает, куда направились электроны и почему число степени окисления стало больше.

Восстановление — присоединение электронов частицей, при котором степень окисления понижается. Например, Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻. Понятие нужно, чтобы увидеть участника, принимающего электроны.

Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Поэтому окислитель понижает свою степень окисления, а восстановитель повышает её. Эти названия показывают не результат для вещества вообще, а его роль именно в данной реакции.

Как это устроено

Чтобы заметить окислительно-восстановительную реакцию, сначала сравнивают степени окисления одинаковых элементов слева и справа от стрелки. Если значения не изменились, переход электронов не доказан. Если одно значение стало больше, а другое меньше, частицы обменялись электронами.

Изменение степени окисления связано с электронами, потому что электрон имеет отрицательный заряд. Отдача отрицательных частиц делает атом условно более положительным, поэтому его степень окисления повышается. При присоединении электронов отрицательного заряда становится больше, и степень окисления понижается.

Окисление и восстановление в одной реакции связаны сохранением электронов. Частица не может просто отдать электроны без того, чтобы другая частица их приняла. Поэтому увеличение одной степени окисления сопровождается уменьшением другой.

Окислитель определяют по понижению его степени окисления: он принимает электроны и восстанавливается. Восстановитель узнают по повышению степени окисления, поскольку он отдаёт электроны и окисляется. Такой способ надёжнее, чем попытка определить роль вещества по его названию или наличию кислорода.

В реакциях с простыми веществами степени окисления тоже могут изменяться. В простом веществе атомы одного элемента имеют степень окисления 0, а в соединении она обычно становится отличной от нуля. Например, Mg⁰ превращается в Mg²⁺, а Cl₂⁰ — в Cl⁻, поэтому реакция образования MgCl₂ является окислительно-восстановительной.

Признаки окисления и восстановления

Пользуйтесь таблицей после того, как расставили степени окисления в реагентах и продуктах. Повышение значения указывает на окисление и восстановитель, а понижение — на восстановление и окислитель. Направление движения электронов проверяет сделанный вывод.

Разбор задач

1. Реакция Mg + Cl₂ → MgCl₂

Условие: определите, является ли реакция окислительно-восстановительной, и назовите окислитель и восстановитель.

1. В простых веществах Mg и Cl₂ степени окисления равны 0. В MgCl₂ магний имеет степень окисления +2, а хлор — −1.
2. Магний изменил 0 на +2, значит, отдал электроны и окислился. Хлор изменил 0 на −1, значит, принял электроны и восстановился.
3. Электроны отдаёт Mg, поэтому он восстановитель. Электроны принимает Cl₂, поэтому хлор — окислитель.

Ответ: реакция является окислительно-восстановительной; Mg — восстановитель, Cl₂ — окислитель.

2. Реакция CuO + H₂ → Cu + H₂O

Условие: определите изменившиеся степени окисления и назовите окислитель и восстановитель.

1. В CuO кислород имеет −2, поэтому медь имеет +2. В простом веществе Cu её степень окисления равна 0; водород в H₂ имеет 0, а в H₂O — +1.
2. Медь понижает степень окисления с +2 до 0 и принимает электроны: происходит восстановление. Водород повышает её с 0 до +1 и отдаёт электроны: происходит окисление.
3. Вещество CuO содержит медь, которая принимает электроны, поэтому CuO — окислитель. H₂ отдаёт электроны, значит, водород является восстановителем.

Ответ: изменились степени окисления Cu и H; CuO — окислитель, H₂ — восстановитель.

3. Реакция Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Условие: определите окислитель и восстановитель, укажите процессы окисления и восстановления.

1. В Fe₂O₃ кислород имеет −2, поэтому железо имеет +3. В CO углерод имеет +2, а в CO₂ — +4; в простом Fe степень окисления равна 0.
2. Железо изменяет +3 на 0 и принимает электроны, то есть восстанавливается. Углерод изменяет +2 на +4 и отдаёт электроны, то есть окисляется.
3. Fe₂O₃ принимает электроны через ионы железа, поэтому является окислителем. CO отдаёт электроны через углерод и выступает восстановителем.

Ответ: восстановление Fe³⁺ до Fe⁰, окисление C²⁺ до C⁴⁺; Fe₂O₃ — окислитель, CO — восстановитель.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую химическую реакцию окислительно-восстановительной. Её допускают, когда видят новое вещество, но не проверяют степени окисления. Сравните их до и после реакции: измениться должны хотя бы у двух элементов.

Ошибка — путать окислитель с восстановителем. Причина в похожих названиях: окислитель сам не окисляется, а принимает электроны и восстанавливается. Проверьте роль по знаку изменения: понижение означает окислитель, повышение — восстановитель.

Ошибка — считать присоединение электронов повышением степени окисления. Электрон отрицателен, поэтому его присоединение уменьшает условный заряд частицы. Запомните пару: отдал электроны — степень повысилась, принял — понизилась.

Ошибка — определять процессы только по наличию кислорода. Историческое название может сбивать с толку, но кислород не является обязательным участником. Всегда устанавливайте роли по изменению степеней окисления и переходу электронов.

Связь с другими темами

• Сначала нужно знать правила определения степеней окисления в простых веществах и соединениях. Без этого невозможно сравнить состояния элементов до и после реакции. Повторите также правила для кислорода, водорода и простых веществ.
• Тема связана со строением атома и ролью электронов. Понимание отрицательного заряда электрона объясняет, почему его отдача повышает степень окисления, а присоединение понижает её.
• Эти знания понадобятся при составлении электронного баланса и уравнивании окислительно-восстановительных реакций. Они также используются при изучении электролиза, где движение электронов связано с превращениями веществ.

Что запомнить

• Окислительно-восстановительная реакция сопровождается изменением степеней окисления.
• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.