Содержание
Окисление и восстановление
Когда цинк вытесняет медь из раствора её соли, металл превращается в ионы, а другие ионы — в металл. При горении магния кислород входит в состав оксида. Оба случая относятся к окислительно-восстановительным реакциям, хотя внешние признаки различаются. Узнать такой процесс помогает изменение степеней окисления.
Основной маршрут 8–9 классов: два процесса, роли реагентов и первые три примера. Углубление 10–11: следующие разделы о полуреакциях, среде и сложном электронном счёте. Перед ними повторите язык формул и зарядов. Новые примеры учат согласовывать уже заданные продукты; подбор коэффициентов сам по себе не предсказывает продукты, механизм или возможность реакции.
Два взаимосвязанных процесса
Окисление сопровождается повышением степени окисления и соответствует отдаче электронов в электронном балансе. Восстановление сопровождается понижением степени окисления и соответствует принятию электронов.
Электрон имеет отрицательный заряд. Поэтому после отдачи электронов степень окисления становится более положительной, а после принятия — менее положительной или более отрицательной. Для простых ионов это видно непосредственно:
Fe2+ → Fe3+ + e− — окисление.
Cu2+ + 2e− → Cu — восстановление.
Степень окисления — формальная характеристика распределения электронов. Её изменение позволяет описывать также реакции с ковалентными веществами, где нельзя представлять каждый атом свободным ионом. Электронный баланс учитывает изменения, но не обязан показывать все реальные промежуточные стадии реакции.
Название «окисление» исторически связано с кислородом, однако присутствие O не обязательно. Например, переход Fe2+ в Fe3+ является окислением и без присоединения атома кислорода. И наоборот, наличие кислорода в реагентах ещё не доказывает, что реакция окислительно-восстановительная.
Окислитель и восстановитель
Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Название реагента показывает его действие на другого участника.
| Что определяем | Окисление | Восстановление |
|---|---|---|
| Электронный учёт | Отдача электронов | Принятие электронов |
| Степень окисления | Повышается | Понижается |
| Роль соответствующего реагента | Восстановитель | Окислитель |
В полном процессе отдача и принятие взаимосвязаны: электроны не должны возникать из ничего или исчезать из баланса. В электрохимической установке эти процессы можно разделить пространственно, соединив их переносом заряда. При записи суммарного уравнения электроны сокращают.
Роль вещества определяют для конкретной реакции. Например, вещество с элементом в промежуточной степени окисления в разных условиях способно быть окислителем или восстановителем. Одно знакомое название вещества не заменяет сравнение исходных и конечных состояний.
Как распознать ОВР
- Запишите правильные формулы реагентов и продуктов с учётом условий.
- Определите степени окисления до и после реакции.
- Найдите элементы, для которых значения изменились.
- Укажите повышение и понижение, затем назовите восстановитель и окислитель.
- При подборе коэффициентов согласуйте число отданных и принятых электронов и проверьте все атомы и заряды.
В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых. После подбора коэффициентов отдельно проверяют число атомов каждого элемента и суммарный заряд обеих частей уравнения.
Изменение числа обозначают с учётом знака: переход от −II к 0 — повышение на 2, а от +V к +II — понижение на 3. Больший индекс вещества не означает автоматически большее изменение степени окисления одного атома; нужно учитывать и число изменяющихся атомов.
Три разобранных примера
1. Цинк и раствор сульфата меди(II)
В обычной школьной модели взаимодействия цинка с водным раствором CuSO4 образуются сульфат цинка и медь:
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu.
Цинк меняет степень окисления с 0 на +II, медь — с +II на 0. Сера и кислород в сульфат-ионе значения не меняют. Полуреакции и сокращённое ионное уравнение:
Zn → Zn2+ + 2e−.
Cu2+ + 2e− → Cu.
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu.
Zn — восстановитель; Cu2+ — окислитель, а при назывании реагента говорят «сульфат меди(II)». Обменялись два электрона на один атом цинка и один ион меди. В сокращённом уравнении заряд слева и справа равен +2.
2. Магний и кислород
Рассматриваем сгорание магния именно в кислороде с образованием MgO. В простых веществах степени окисления равны 0, в оксиде Mg имеет +II, O —−II. Один атом Mg отдаёт два электрона, а два атома одной молекулы O2 принимают вместе четыре:
2Mg → 2Mg2+ + 4e−.
O2 + 4e− → 2O2−.
Это электронные схемы для баланса образования оксида. Итоговое уравнение:
2Mg + O2 → 2MgO.
Магний окисляется и служит восстановителем. Кислород восстанавливается и служит окислителем. Приписывать ему окисление только из-за слова «кислород» неверно.
3. Нейтрализация без изменения степеней окисления
В водном растворе сильной кислоты и щёлочи:
HCl + NaOH → NaCl + H2O.
До и после реакции H имеет +I, Cl−I, Na+I, O−II. Значения не меняются: это реакция нейтрализации, но не ОВР. Образование нового вещества и выделение теплоты сами по себе не являются признаками изменения степеней окисления.
Углубление: две разные проверки одного баланса
В сложном уравнении нужно согласовать и изменение степеней окисления, и состав раствора. Электронный баланс показывает, сколько электронов формально отдают и принимают участники. Метод полуреакций дополняет этот счёт атомами H/O и зарядом в указанной среде. Он удобен для сокращённых ионных уравнений: в них видны именно реагирующие формы, а ионы-наблюдатели временно убраны.
В воде H+ в этих балансах — условное сокращение гидратированного протона, а не свободное голое ядро. Запись через H3O+ дала бы другую расстановку воды, но тот же состав и заряд суммарного превращения.
- Сначала уточните среду и продукты восстановления/окисления. Не начинайте с угадывания коэффициентов.
- Разделите схему на два превращения, сохраняя реальные формулы частиц.
- Уравняйте меняющиеся элементы, затем кислород с помощью воды.
- В кислой записи дополните водород ионами H+, затем уравняйте суммарный заряд электронами.
- Приведите число электронов к общему значению и сложите полуреакции.
- Для щелочной среды нейтрализуйте формально появившиеся H+, добавив одинаковое число OH− к обеим сторонам; сократите воду и другие общие частицы.
- После сокращения проверьте отдельно каждый элемент и общий заряд. В конечном уравнении щелочного процесса не должны оставаться несокращённые H+ как реагент среды.
- Если требуется молекулярная запись, верните ионы-наблюдатели в соответствии с условием и повторите проверку всех атомов.
H2O, H+ и OH− в этом алгоритме служат балансу заданной водной среды. Их нельзя добавлять произвольно, чтобы «спасти» любой набор выдуманных продуктов. Особенно важно не заменить щёлочную формулу продукта кислой: при иной среде могут меняться и устойчивые формы веществ.
Шесть разборов сложных ОВР
Разбор 4. Два Cr в одном ионе и кислая среда
В условии заданы восстановление дихромат-иона до Cr3+ и окисление Fe2+ до Fe3+ в кислой водной среде. Каждый Cr меняет +VI на +III: принимает 3 электрона. В одном Cr2O72− два Cr, поэтому на ион приходится 6 электронов.
Cr2O72− + 14H+ + 6e− → 2Cr3+ + 7H2O.
Fe2+ → Fe3+ + e− (умножить на 6).
В первой полуреакции семь O потребовали семь H2O справа, а четырнадцать H в воде — четырнадцать H+ слева. Сначала уравняли атомы, теперь уравниваем заряд. До добавления электронов слева заряд −2 + 14 = +12, справа 2 · (+3) = +6. Электрон несёт заряд −1: добавление шести электронов слева уменьшает заряд до +12 − 6 = +6. Поэтому слева нужны 6e−. После сложения:
Cr2O72− + 14H+ + 6Fe2+ → 2Cr3+ + 7H2O + 6Fe3+.
Заряды: −2 + 14 + 12 = +24 слева и 6 + 18 = +24 справа. Атомы: 2Cr, 6Fe, 7O и 14H с каждой стороны. Окислитель — дихромат, восстановитель — Fe2+. Для заданных в условии K2Cr2O7, FeSO4 и H2SO4 молекулярная запись:
K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O.
Все 13 сульфатных остатков сохранены. На 1,50 ммоль Cr2O72− по этому превращению требуется 9,00 ммоль Fe2+ и 21,0 ммоль H+. Количество H+ из ионного баланса не равно числу молей любой кислоты без учёта её состава.
Разбор 5. Пероксид отдаёт электроны
Для кислого раствора заданы продукты Mn2+ и O2 при взаимодействии перманганата с H2O2. Mn(+VII) принимает 5 электронов. В пероксиде O имеет −I, а не −II; два O при переходе в O2 отдают вместе 2 электрона.
MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O (×2).
H2O2 → O2 + 2H+ + 2e− (×5).
Общее число электронов — 10. После сложения справа оказывается 10H+, слева 16H+: сокращается одинаковая часть, остаётся 6H+ слева.
2MnO4− + 5H2O2 + 6H+ → 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O.
Общий заряд +4 с каждой стороны; атомы 2Mn, 18O и 16H сохранены. В этой реакции H2O2 — восстановитель. Название вещества не назначает ему роль навсегда: в задании 3 оно, наоборот, принимает электроны. Выделение O2 здесь относится к окислению пероксида, а не к восстановлению перманганатного кислорода.
Разбор 6. Сильнощелочная среда и другой продукт Mn
Теперь в условии прямо указано: в достаточно сильнощелочном растворе перманганат восстанавливается до манганат-иона MnO42−, а сульфит окисляется до сульфата. Mn меняет +VII на +VI и принимает только один электрон, S меняет +IV на +VI и отдаёт два.
MnO4− + e− → MnO42− (×2).
Для сульфита можно сначала составить кислую вспомогательную запись, а затем перевести её в щелочную:
SO32− + H2O → SO42− + 2H+ + 2e−.
SO32− + 2OH− → SO42− + H2O + 2e−.
Вторую строку получили, добавив 2OH− к обеим сторонам первой и сократив воду. Суммарно:
2MnO4− + SO32− + 2OH− → 2MnO42− + SO42− + H2O.
Заряд −6 с обеих сторон; атомы 2Mn, S, 13O и 2H совпадают. Окислитель — перманганат, восстановитель — сульфит. Нельзя переносить коэффициенты из кислого процесса: там другой продукт и на каждый Mn приходится уже 5 электронов. В нейтральной или слабощелочной учебной схеме часто задают MnO2; её баланс отличается — см. задание 4. Название «щелочная среда» без сведений о её силе и условиях не заменяет указания продукта.
Разбор 7. В одном FeS₂ меняются Fe и два S
Задана учебная схема полного окисления пирита FeS2 азотной кислотой до Fe(III) и сульфата; продукт восстановления азота по условию — NO. Это выбранная схема баланса, а не утверждение о единственном составе продуктов при любом растворении пирита.
Пирит формально содержит Fe(+II) и дисульфидный фрагмент S22−: каждый S имеет −I. При выбранных продуктах Fe(+II) → Fe(+III) отдаёт 1 электрон, каждый S(−I) → S(+VI) — 7. Одна формульная единица в целом отдаёт 1 + 2 · 7 = 15 электронов. Пропустить вклад Fe или второй S — значит получить неправильные коэффициенты.
FeS2 + 8H2O → Fe3+ + 2SO42− + 16H+ + 15e−.
NO3− + 4H+ + 3e− → NO + 2H2O (×5).
После сокращения 15e−, воды и H+:
FeS2 + 5NO3− + 4H+ → Fe3+ + 2SO42− + 5NO + 2H2O.
Заряд −1 с каждой стороны; 1Fe, 2S, 5N, 15O и 4H совпадают. Для выбранной молекулярной формы продуктов:
FeS2 + 8HNO3 → Fe(NO3)3 + 2H2SO4 + 5NO + 2H2O.
Пять нитратных групп восстанавливаются до NO, ещё три сохраняют N(+V) в нитрате железа. Поэтому коэффициент HNO3 равен 8, а не 5: не вся кислота расходуется как окислитель в электронном счёте. FeS2 здесь восстановитель. Состав реально выделяющихся оксидов азота зависит от условий; даже правильно уравненная схема не устанавливает их доли.
Разбор 8. Один Cl₂ играет две роли
Диспропорционирование: один элемент из одной исходной степени окисления переходит в более высокую и более низкую. При компропорционировании, наоборот, формы одного элемента с разными степенями окисления дают промежуточную. Эти названия не отменяют общего электронного баланса.
Для холодного разбавленного раствора щёлочи задано образование хлорида и гипохлорита из Cl2. Один Cl(0) переходит в Cl(−I), принимая 1 электрон, другой — в Cl(+I), отдавая 1. Полуреакции с целыми молекулами:
Cl2 + 2e− → 2Cl−.
Cl2 + 4OH− → 2ClO− + 2H2O + 2e−.
Сложим и разделим все коэффициенты на 2:
Cl2 + 2OH− → Cl− + ClO− + H2O.
Заряд −2 с обеих сторон, атомы 2Cl, 2O, 2H сохранены. Хлор — и окислитель, и восстановитель. При горячей концентрированной щёлочи в школьной суммарной схеме задают хлорат ClO3−, а не гипохлорит; соотношение ветвей меняется. Этот случай предложен в задании 5. Условия нельзя вычеркнуть после расстановки коэффициентов.
Разбор 9. Промежуточная степень из двух исходных
В кислой водной среде иодат и иодид дают иод. Иод в IO3− имеет +V и принимает 5 электронов на атом; иод в I− имеет −I и отдаёт один. В продукте I2 степень равна 0. Полуреакции с целыми коэффициентами:
2IO3− + 12H+ + 10e− → I2 + 6H2O.
2I− → I2 + 2e− (×5).
После сложения и деления коэффициентов на 2:
IO3− + 5I− + 6H+ → 3I2 + 3H2O.
Слева заряд −1 − 5 + 6 = 0, справа 0. Из шести атомов I получается три молекулы I2; все O и H учтены. Это компропорционирование, но исходные количества двух форм не обязаны быть равны: электронный счёт требует 1 иодат на 5 иодидов. В растворе с избытком I− возможна также форма I3−; запись через I2 отражает заданный баланс получения эквивалентного количества иода.
Восемь новых задач с полным балансом
Во всех схемах продукты и среда заданы. Используйте их как условия, а не как универсальное правило для любого смешения веществ. Для каждой задачи назовите окислитель/восстановитель, согласуйте электроны и проверьте атомы и общий заряд.
- Кислая среда: MnO4− + Fe2+ → Mn2+ + Fe3+. Допишите воду и H+. Сколько Fe2+ требуется на 2,40 ммоль MnO4−?
- Кислая среда: Cr2O72− + I− → Cr3+ + I2. Учтите оба Cr и парность атомов I в продукте.
- Кислая среда: H2O2 + I− → I2 + H2O. Как роль пероксида отличается от разбора 5?
- Нейтральная или слабощелочная водная схема с заданным осадком: MnO4− + SO32− → MnO2 + SO42−. Получите уравнение с H2O и OH−. Почему нельзя взять соотношение 2:1 из разбора 6?
- Горячая концентрированная щёлочь, продукты Cl− и ClO3−: Cl2 + OH− → Cl− + ClO3− + H2O. Найдите отношение числа атомов Cl в восстановленной и окисленной формах.
- Для учебной схемы обжига пирита в кислороде заданы Fe2O3 и SO2: FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2. Сосчитайте суммарный вклад Fe и двух S. Сколько O2 требуется на 0,0400 моль FeS2 при полном превращении по этой схеме?
- В водном растворе заданы Fe3+, металлическое Fe и продукт Fe2+. Составьте уравнение. Почему это компропорционирование, а не отсутствие ОВР из-за одинаковой буквы Fe?
- Дополнительный случай со средней степенью окисления: в выбранном иодометрическом превращении тиосульфат S2O32− окисляется иодом I2 до тетратионата S4O62−, иод переходит в I−. Составьте баланс. Можно ли считать, что все S в тиосульфате действительно одинаковы, если среднее значение равно +II?
Решения новых задач
Mn(+VII) принимает 5e−, каждый Fe(+II) отдаёт 1e−. Полуреакции: MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O и Fe2+ → Fe3+ + e− (×5). Итог:
MnO4− + 8H+ + 5Fe2+ → Mn2+ + 4H2O + 5Fe3+.
Заряд +17 с обеих сторон; 1Mn, 5Fe, 4O и 8H сохранены. Перманганат — окислитель, Fe2+ — восстановитель. Нужно 2,40 · 5 = 12,0 ммоль Fe2+.
Дихромат принимает 6e− на два Cr: Cr2O72− + 14H+ + 6e− → 2Cr3+ + 7H2O. Для иодида 2I− → I2 + 2e− (×3). Сумма:
Cr2O72− + 14H+ + 6I− → 2Cr3+ + 3I2 + 7H2O.
Заряд +6 с обеих сторон; 2Cr, 6I, 7O и 14H совпадают. Дихромат — окислитель, иодид — восстановитель.
Пероксид принимает 2e−: H2O2 + 2H+ + 2e− → 2H2O. Иодид отдаёт их: 2I− → I2 + 2e−. Итог:
H2O2 + 2H+ + 2I− → I2 + 2H2O.
Заряд 0 с обеих сторон, 4H, 2O, 2I сохранены. Здесь O(−I) переходит в O(−II), поэтому H2O2 — окислитель, I− — восстановитель. В разборе 5 кислород пероксида переходил в 0 и роль была противоположной.
Восстановление: MnO4− + 2H2O + 3e− → MnO2 + 4OH− (×2). Окисление: SO32− + 2OH− → SO42− + H2O + 2e− (×3). Сокращаем 6e−, 6OH− и 3H2O:
2MnO4− + 3SO32− + H2O → 2MnO2 + 3SO42− + 2OH−.
Заряд −8 с обеих сторон; 2Mn, 3S, 18O и 2H совпадают. Окислитель — перманганат, восстановитель — сульфит. На Mn приходится 3e−, а не 1e− как при продукте Mn(+VI); поэтому соотношение стало 2:3.
Восстановление Cl2 + 2e− → 2Cl− умножаем на 5. Для окисления Cl(0) → Cl(+V): Cl2 + 12OH− → 2ClO3− + 6H2O + 10e−. Сумма после деления на 2:
3Cl2 + 6OH− → 5Cl− + ClO3− + 3H2O.
Один Cl отдаёт 5 электронов, пять Cl принимают по одному: отношение 5:1. Хлор выполняет обе роли. Заряд −6 с обеих сторон; 6Cl, 6O и 6H совпадают. Это другой продукт окисления, чем в холодной разбавленной щёлочи.
Fe(+II) → Fe(+III) отдаёт 1e−; каждый S(−I) → S(+IV) отдаёт 5e−. Вклад FeS2 — 1 + 2 · 5 = 11e−. Одна O2 принимает 4e− при переходе двух O(0) в O(−II). Наименьшее общее число 44: коэффициенты FeS2/O2 равны 4/11. Итог:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2.
Слева и справа 4Fe, 8S, 22O, общий заряд 0. FeS2 — восстановитель, O2 — окислитель. На 0,0400 моль FeS2 нужно 0,0400 · 11/4 = 0,110 моль O2. Продукты относятся к указанной схеме обжига.
Fe → Fe2+ + 2e−; Fe3+ + e− → Fe2+ (×2). Итог:
Fe + 2Fe3+ → 3Fe2+.
Заряд +6 с обеих сторон, три Fe сохранены. Fe(0) — восстановитель, Fe(+III) — окислитель; обе формы переходят в промежуточную +II. Одинаковый элемент не означает одинаковое исходное состояние.
Для серосодержащих частиц: 2S2O32− → S4O62− + 2e−. Для иода: I2 + 2e− → 2I−. Итог:
2S2O32− + I2 → S4O62− + 2I−.
Заряд −4 с обеих сторон, 4S, 6O и 2I сохранены. Тиосульфат — восстановитель, иод — окислитель. Средняя степень S в тиосульфате +II, в тетратионате +2,5; для четырёх S общий рост равен 4 · (2,5 − 2) = 2. Это проверка суммарного электронного счёта, а не одинаковости всех S. В обычной структурной модели тиосульфата S различаются как +V и −I, а в тетратионате два S имеют +V и два — 0. Их суммы дают те же значения. Условия не переносят на произвольную сильнокислую смесь, где у тиосульфата возможны другие превращения.
Для чего нужен электронный подход
Он связывает горение, получение металлов, коррозию и работу источников электрического тока. Для конкретного прогноза нужны также сведения о среде и условиях: одной арифметики степеней окисления недостаточно, чтобы доказать возможность любой предложенной реакции.
Особенно важно сначала установить продукты. Если у окислителя в разных условиях получаются разные продукты восстановления, меняются электронный баланс и коэффициенты. Проверка закона сохранения атомов не заменяет проверку химической правдоподобности схемы.
Частые ошибки
- Считать окислителем вещество, которое само окисляется.
- Принимать степень окисления за фактический заряд любого атома.
- Искать ОВР только среди реакций с кислородом.
- Забывать, что в O2 два атома принимают электроны.
- Менять индексы вместо подбора коэффициентов.
Проверьте себя
- Переход Fe3+ в Fe2+ — окисление или восстановление? Сколько электронов принимается или отдаётся?
- Укажите окислитель и восстановитель в реакции Zn с CuSO4.
- Расставьте коэффициенты в схеме Mg + O2 → MgO. Сколько электронов участвует в балансе на одну молекулу O2?
- Является ли ОВР осаждение AgCl из растворов AgNO3 и NaCl?
- В реакции хлорида железа(II) с хлором образуется FeCl3. Запишите уравнение и укажите, какой участник окисляется.
Ответы и объяснения
- Восстановление: степень окисления понижается с +III до +II, принимается один электрон:
Fe3+ + e− → Fe2+.
- Zn — восстановитель, он отдаёт электроны. Окислитель — ионы Cu2+ в составе соли, они принимают электроны и переходят в Cu.
- На два атома Mg приходится одна молекула кислорода:
2Mg + O2 → 2MgO; отдано и принято по 4e−.
- Нет. Ag остаётся +I, Cl−I, Na+I, N+V, O−II. Осадок возникает без изменения этих значений:
AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3.
- Железо повышает степень окисления с +II до +III, хлор понижает с 0 до −I:
2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3.
Два атома Fe отдают вместе два электрона; два атома Cl принимают их. FeCl2 служит восстановителем, Cl2 — окислителем.
Связанные темы
Необходимый инструмент — правила определения степени окисления. Повторите химические уравнения и электроотрицательность.
Источники
Термины: IUPAC — окисление, восстановление, степень окисления. Учебные подходы: OpenStax — классификация реакций и электронный и атомный баланс.
Углублённый метод и границы формального счёта: OpenStax 17.1, IUPAC: определение степени окисления; названия двух типов: диспропорционирование и компропорционирование. Тематическая карта: МГУ, Жуков 9.2. Все новые разборы, условия и решения подготовлены для этого курса.