§ 19. Окислители и восстановители

Определения и обозначения

Окислитель — частица или вещество, принимающее электроны и восстанавливающееся в реакции. Принимая отрицательно заряженные электроны, окислитель меняет степень окисления своего элемента в сторону уменьшения. Это понятие помогает определить участника, который забирает электроны у другого вещества.

Восстановитель — частица или вещество, отдающее электроны и окисляющееся в реакции. После отдачи электронов степень окисления его элемента повышается. Так можно найти участника, который передаёт электроны и вызывает восстановление другого вещества.

Окисление — процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента. Например, при переходе Mg⁰ → Mg²⁺ магний отдаёт два электрона, а его степень окисления увеличивается. По этому признаку распознают окисление даже в реакциях, где кислород не участвует.

Восстановление — процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента. Например, переход Fe³⁺ → Fe⁰ означает, что частица приняла электроны. Это определение позволяет отличить восстановление от окисления и установить роль вещества в реакции.

Как это устроено

В окислительно-восстановительной реакции электроны не исчезают и не возникают сами по себе: если одна частица их отдаёт, другая должна принять. Поэтому электроны переходят от восстановителя к окислителю. Отдающая частица становится более положительной или менее отрицательной, а принимающая — менее положительной или более отрицательной.

Изменение степени окисления показывает направление этого перехода. Если степень окисления элемента стала выше, он отдал электроны и окислился; значит, частица с этим элементом была восстановителем. Если степень окисления стала ниже, элемент принял электроны и восстановился, а его частица была окислителем. Сравнивать нужно значения у одного и того же элемента до реакции и после неё.

Восстановитель называют донором электронов, потому что он их отдаёт. Слово «донор» означает отдающий, и собственная степень окисления такого участника повышается. Окислитель — акцептор, то есть принимающий электроны: после их присоединения его степень окисления понижается.

Способность вещества быть окислителем или восстановителем зависит от того, с кем оно реагирует. Например, вещество с элементом в промежуточной степени окисления может как принять ещё электроны, так и отдать часть имеющихся. Поэтому роль нельзя надёжно определить только по формуле вещества или по тому, металл это или неметалл: нужно рассмотреть конкретное превращение.

Окисление и восстановление всегда происходят одновременно, потому что передача электронов имеет две стороны. Электроны, отданные восстановителем, должны быть приняты окислителем, иначе общий заряд системы не согласуется с ходом реакции. Поэтому при разборе ОВР ищут сразу оба изменения степеней окисления, а не только одно из них.

Сравнение окислителя и восстановителя

В таблице собраны признаки, по которым различают двух участников окислительно-восстановительной реакции. Сначала удобно проверить, кто принимает или отдаёт электроны, а затем подтвердить вывод по изменению степени окисления. Типичные представители — подсказка для поиска, но окончательную роль устанавливают только по конкретному уравнению.

Разбор задач

Магний и соляная кислота

В реакции Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ определите окислитель и восстановитель. Чтобы не угадывать по названию реагента, проследим за степенями окисления элементов. Ионы водорода кислоты обозначим как H⁺, а хлорид-ионы в этой реакции не меняют степень окисления.

1. В простом веществе Mg степень окисления равна 0; в MgCl₂ она равна +2. Магний отдаёт два электрона и окисляется.
2. В HCl водород имеет степень окисления +1, а в молекуле H₂ — 0. Водород принимает электроны и восстанавливается.
3. Отдающий электроны магний — восстановитель, а принимающие их ионы водорода — окислитель.

Ответ: восстановитель — Mg, окислитель — HCl (точнее, ионы H⁺). Магний повышает степень окисления с 0 до +2, а водород понижает её с +1 до 0. В уравнении две частицы H⁺ принимают столько электронов, сколько отдаёт один атом Mg.

Оксид железа и угарный газ

В реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ нужно установить роли оксида железа и угарного газа. Сравним степени окисления железа и углерода до и после реакции. Кислород сохраняет степень окисления −2, поэтому его изменение искать не нужно.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Железо принимает электроны и восстанавливается; Fe₂O₃ выступает окислителем.
2. В CO углерод имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4. Углерод отдаёт электроны и окисляется; CO является восстановителем.
3. Проверяем, что изменения направлены противоположно: железо принимает электроны, которые отдаёт углерод. Значит, в реакции присутствуют оба процесса.

Ответ: окислитель — Fe₂O₃, восстановитель — CO. Степень окисления железа меняется с +3 до 0, а углерода — с +2 до +4. Углерод в CO помогает восстановить железо, сам при этом окисляясь.

Хлор и диспропорционирование

В реакции Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O определите роль хлора. В простом веществе Cl₂ степень окисления хлора равна 0. В продуктах есть два соединения хлора, поэтому каждую его степень окисления нужно найти отдельно.

1. В NaCl хлор имеет степень окисления −1: он принял электроны и восстановился.
2. В NaClO хлор имеет степень окисления +1: он отдал электроны и окислился.
3. Атомы хлора из одного исходного вещества изменяются в двух направлениях. Поэтому Cl₂ одновременно служит и окислителем, и восстановителем.

Ответ: хлор диспропорционирует — часть его атомов восстанавливается с 0 до −1, а часть окисляется с 0 до +1. Диспропорционированием называют реакцию, в которой один и тот же элемент одновременно повышает и понижает степень окисления. Такую возможность объясняет промежуточная исходная степень окисления хлора, равная 0.

Типичные ошибки

Иногда окислителем называют вещество, которое окисляется. Путаница возникает потому, что названия похожи, но обозначают разные вещи: «окислитель» — роль по отношению к партнёру, а «окисляется» — собственное изменение. Проверьте себя: окислитель принимает электроны, поэтому его степень окисления понижается.

Другая ошибка — считать, что восстановитель обязательно должен быть металлом или содержать водород. Так думают, потому что среди распространённых восстановителей действительно есть активные металлы и водород. Но роль определяет не состав, а отдача электронов; проверка проста — степень окисления элемента-восстановителя должна повышаться.

Нельзя определять окисление и восстановление только по присоединению или удалению кислорода. Этот признак подходит для некоторых реакций, но не охватывает перенос электронов без участия кислорода. Сравните степени окисления элемента до и после реакции: их повышение или понижение надёжнее показывает процесс.

Наконец, иногда в уравнении ищут только окисление или только восстановление. Эту ошибку допускают, если прослеживают изменение лишь одного элемента. Проверьте, куда перешли отданные электроны: в любой ОВР должен найтись участник, который их принимает, и оба процесса идут одновременно.

Связь с другими темами

Для определения ролей окислителя и восстановителя нужны знания о строении атома и валентных электронах, а также правила расчёта степеней окисления. Эти основы позволяют проследить, какие частицы отдают электроны, а какие принимают. Позже тот же подход используют при изучении окислительно-восстановительных реакций, электронного баланса и уравнивания уравнений. Понятия помогают объяснять коррозию, горение, получение металлов и работу химических источников тока.

Что запомнить

• Окислитель принимает электроны.
• Восстановитель отдаёт электроны.
• Окислитель в реакции восстанавливается.
• Восстановитель в реакции окисляется.
• При окислении степень окисления повышается.
• При восстановлении степень окисления понижается.
• Окисление и восстановление всегда протекают одновременно.