§ 18. Коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который используют для учёта электронов. Сравнивая её в исходных веществах и продуктах, можно понять, изменился ли электронный состав атома. Если значение повысилось или понизилось, значит, произошёл перенос электронов.

Окисление — процесс отдачи электронов атомом или ионом, при котором его степень окисления повышается. Например, при переходе от степени окисления 0 к +2 частица отдаёт два электрона. Это понятие помогает определить, какая частица выступает восстановителем.

Восстановление — присоединение электронов атомом или ионом, сопровождающееся понижением степени окисления. Переход от +2 к 0 означает, что частица приняла два электрона. По этому изменению находят участника реакции, которому электроны нужны.

Окислитель и восстановитель — частицы, которые соответственно принимают и отдают электроны. Окислитель сам восстанавливается, а восстановитель сам окисляется. Эти названия показывают роль частицы для другого участника реакции, а не процесс, который происходит с ней самой.

Как это устроено

Чтобы определить изменения в реакции, сначала находят степени окисления элементов в формулах реагентов и продуктов. Затем сравнивают значения одного и того же элемента до и после реакции: повышение означает окисление, понижение — восстановление. Причина такого сравнения в том, что степень окисления условно отражает, сколько электронов атом отдал или принял.

Окисление и восстановление происходят одновременно, потому что электроны не могут просто исчезнуть из реакции. Частица, которая отдаёт электроны, передаёт их другой частице, способной принять их. Поэтому в уравнении ОВР обязательно есть и восстановитель, и окислитель.

Электронный баланс основан на сохранении числа электронов: сколько их отдано, столько должно быть принято. Для каждой частицы учитывают изменение степени окисления, а также число таких атомов, участвующих в изменении. Так получают суммарное количество электронов для окисления и восстановления и находят нужные множители.

Подбор коэффициентов начинают с элементов, у которых изменилась степень окисления. Записывают, на сколько единиц она повысилась или понизилась, и указывают число отданных или принятых электронов для одного атома. Затем учитывают число атомов элемента в формуле и подбирают множители так, чтобы отдача и приём электронов уравнялись.

Найденные множители используют как коэффициенты перед веществами, содержащими изменившиеся элементы. После этого проверяют остальные элементы, в том числе те, чьи степени окисления постоянны: электронный баланс сам по себе не уравнивает их атомы. Если коэффициенты можно разделить на одно и то же целое число, их сокращают, а затем ещё раз пересчитывают атомы.

Окисление и восстановление в электронном балансе

Сначала определи по второй колонке, какой процесс произошёл с элементом. Затем по третьей колонке установи, отдавал он электроны или принимал их, и назови роль частицы. Помни, что название роли относится к воздействию на другого участника: окислитель сам восстанавливается.

Разбор задач

Mg + O₂ → MgO

1. В простых веществах Mg и O₂ степени окисления равны 0; в MgO магний имеет +2, кислород −2.
2. Магний повышает степень окисления: Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺. Кислород понижает её: O⁰ + 2e⁻ → O²⁻.
3. В молекуле O₂ два атома кислорода, значит, они принимают всего 4 электрона. Чтобы отдать 4 электрона, нужны два атома Mg. Получаем 2Mg + O₂ → 2MgO.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Проверка показывает по два атома магния и кислорода с каждой стороны.

Fe + HCl → FeCl₂ + H₂

1. Железо меняет степень окисления с 0 до +2 и отдаёт два электрона: Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺.
2. Водород в HCl имеет степень окисления +1, а в H₂ — 0. Два иона водорода принимают два электрона: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂.
3. Баланс электронов даёт соотношение Fe : H₂ = 1 : 1. Для FeCl₂ нужны два атома хлора, поэтому ставим 2 перед HCl и получаем Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.

Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Железо и хлор уравнены, а два атома водорода образуют молекулу H₂.

KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

1. Марганец меняет степень окисления с +7 до +2 и принимает 5 электронов: Mn⁷⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺.
2. Хлорид-ион окисляется: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Наименьшее общее число электронов для изменений — 10, поэтому берём 2 атома Mn и 10 атомов Cl, отдающих электроны.
3. Ставим 2 перед KMnO₄ и MnCl₂, а 5 перед Cl₂. Уравниваем калий коэффициентом 2 перед KCl; для хлора нужно 16HCl. По водороду ставим 8H₂O и проверяем кислород.

Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. На обеих сторонах 2 атома марганца, 16 хлора, 8 водорода и 8 кислорода; отданы и приняты 10 электронов.

Типичные ошибки

Можно решить, что окислитель сам окисляется, потому что в названии есть слово «окисление». На самом деле окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Ошибку предотвращает проверка: проследи, куда движутся электроны и как меняется степень окисления.

Подбор только по числу изменившихся атомов не учитывает, насколько изменилась степень окисления каждого из них. Это приводит к неверному числу электронов и коэффициентам. Умножай изменение на число атомов элемента и проверяй, совпадают ли суммарные количества электронов.

Если не уравнять отданные и принятые электроны, найденное соотношение веществ будет неверным. Так бывает, когда записывают изменения степеней окисления, но не сравнивают их общий итог. Перед переносом множителей в уравнение проверь, что электронов отдано столько же, сколько принято.

Нельзя менять индексы в формулах ради уравнивания атомов: индекс показывает состав конкретного вещества. Такая замена превращает его в другое вещество, а не исправляет уравнение. Меняй только коэффициенты перед формулами и в конце пересчитай все атомы по обе стороны.

Связь с другими темами

Для электронного баланса нужно уметь определять степени окисления в простых веществах и соединениях: без этого невозможно заметить перенос электронов. Также пригодится понимание химического уравнения и навык расстановки коэффициентов по числу атомов. Баланс дополняет этот навык: он помогает начать подбор с окислительно-восстановительных изменений, а затем проверить всё уравнение.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов и повышение степени окисления.
• Восстановление — присоединение электронов и понижение степени окисления.
• Окисление и восстановление происходят одновременно.
• Окислитель принимает электроны, восстановитель отдаёт их.
• Число отданных электронов равно числу принятых.
• После электронного баланса нужно проверить число атомов всех элементов.