6. Окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении. В простом веществе она равна 0, у кислорода обычно −2, у водорода обычно +1, а сумма степеней окисления равна заряду частицы. Это правило нужно, чтобы сравнивать состояние элементов до и после реакции.

Окисление — процесс отдачи атомом, ионом или веществом электронов. При этом степень окисления повышается, например Fe⁰ → Fe³⁺. Понятие помогает найти участника, который отдаёт электроны и изменяется в сторону большего положительного значения.

Восстановление — процесс присоединения электронов. Степень окисления при этом понижается, например Cl₂⁰ → 2Cl⁻. По этому изменению определяют частицу, принимающую электроны.

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой одновременно идут окисление и восстановление. Вещество, принимающее электроны, называют окислителем, а отдающее электроны — восстановителем. Эти названия показывают роль вещества в реакции, а не конечное изменение его самого.

Как это устроено

Изменение степени окисления показывает переход электронов, потому что условная степень окисления связывает атом с определённым числом электронов. При отдаче электронов частица становится более положительной, поэтому её степень окисления возрастает. При присоединении электронов заряд становится более отрицательным, и степень окисления уменьшается.

Чтобы определить, какой элемент окисляется, сравнивают его степени окисления слева и справа от стрелки. Повышение означает окисление, а понижение — восстановление. Если степень окисления не изменилась, данный элемент не участвует в электронном обмене.

Принимающее электроны вещество называют окислителем, потому что его электроны заставляют другую частицу окисляться. Сам окислитель получает электроны, поэтому его степень окисления понижается и он восстанавливается. Отдающее электроны вещество называют восстановителем: оно вызывает восстановление другого участника, но само окисляется.

Схема электронного баланса показывает, сколько электронов теряет и получает каждый элемент. Сначала записывают изменения степеней окисления, затем умножают их на такие числа, чтобы общее число отданных электронов совпало с общим числом принятых. Полученные множители используют как коэффициенты, после чего проверяют число атомов всех элементов.

Иногда один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается. Это происходит в реакциях диспропорционирования, когда атомы одного вещества переходят в продукты с разными степенями окисления. Например, часть атомов хлора может принять электроны, а другая часть — отдать их.

Признаки окисления, восстановления и роли участников реакции

Сначала найдите в таблице изменение степени окисления, а затем свяжите его с переходом электронов. После этого роль вещества определяется автоматически: принимающий электроны является окислителем, отдающий — восстановителем.

Разбор задач

1. Реакция Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Условие: определить, является ли реакция окислительно-восстановительной, и назвать окислитель и восстановитель. Электронный обмен нужно искать по изменению степеней окисления, а не по внешнему виду уравнения.

1. В простом веществе Fe степень окисления равна 0, а в FeSO₄ железо имеет степень +2.
2. Железо отдаёт два электрона: Fe⁰ → Fe²⁺ + 2e⁻, поэтому оно окисляется и является восстановителем.
3. Медь в CuSO₄ имеет степень +2, а в простом веществе Cu — 0: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.
4. Медь восстанавливается, а ион Cu²⁺ в составе CuSO₄ является окислителем.

Ответ: реакция является ОВР; окислитель — CuSO₄, точнее ион Cu²⁺, восстановитель — Fe.

2. Реакция Al + O₂ → Al₂O₃

Условие: расставить коэффициенты методом электронного баланса. Нужно учесть, что алюминий отдаёт электроны, а кислород принимает их.

1. Записываем изменения: Al⁰ → Al³⁺ + 3e⁻; O₂⁰ + 4e⁻ → 2O²⁻.
2. Наименьшее общее число электронов для 3 и 4 равно 12, поэтому берём 4 атома алюминия и 3 молекулы O₂.
3. Получаем предварительно 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, поскольку 4 атома Al и 6 атомов O образуют 2 формульные единицы оксида.
4. Проверяем атомы: слева и справа по 4 атома алюминия и по 6 атомов кислорода.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; алюминий — восстановитель, кислород — окислитель.

3. Реакция KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Условие: уравнять реакцию и определить участников окисления и восстановления. В кислой среде марганец восстанавливается, а часть хлорид-ионов окисляется до хлора.

1. Марганец меняется от +7 в KMnO₄ до +2 в MnCl₂ и принимает 5 электронов: Mn⁷⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺.
2. Хлор в HCl меняется от −1 до 0 и отдаёт электроны: 2Cl⁻ → Cl₂⁰ + 2e⁻.
3. Уравниваем электроны: берём 2 атома Mn и 10 атомов Cl⁻, поэтому образуется 5Cl₂.
4. Подбираем остальные коэффициенты по атомам и получаем 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O.
5. Проверяем: калия 2, марганца 2, кислорода 8, водорода 16 и хлора 16 с каждой стороны.

Ответ: KMnO₄ — окислитель, потому что Mn⁷⁺ восстанавливается; HCl, точнее Cl⁻, — восстановитель, потому что хлорид-ионы окисляются.

Типичные ошибки

Путают окислитель с веществом, которое окисляется. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, хотя вызывает окисление другого участника. Проверка проста: у окислителя степень окисления должна понизиться.

Считают любую реакцию соединения или разложения ОВР. Форма реакции сама по себе ничего не доказывает, потому что степени окисления могут не измениться. Сравните их до и после реакции: без повышения и понижения ОВР нет.

Неверно определяют степени окисления кислорода, водорода или элементов в простых веществах. Ошибка возникает, если забыть исключения и принять составной элемент за простое вещество. Проверьте: в простом веществе степень равна 0, кислород обычно −2, водород обычно +1, а сумма должна соответствовать заряду частицы.

Уравнивают атомы, но не электроны. Такие коэффициенты могут дать правильное число атомов, но неверно описать электронный обмен. Сначала составьте электронный баланс, затем проверьте и атомы, и равенство отданных и принятых электронов.

Связь с другими темами

Для изучения ОВР нужны знания о строении атома, ионах, валентности, формулах веществ и правилах определения степеней окисления. Эти сведения позволяют понять, какие частицы могут отдавать или принимать электроны и как записать продукты реакции.

Дальше тема используется в электрохимии и электролизе, где перенос электронов связан с электрическим током. Она также помогает объяснить коррозию металлов и свойства конкретных окислителей и восстановителей.

Что запомнить

• 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.
• В окислительно-восстановительной реакции одновременно происходят окисление и восстановление.
• Число отданных электронов равно числу принятых электронов.
• Для распознавания ОВР сравнивают степени окисления элементов до и после реакции.