Окислительно-восстановительные реакции

В этом уроке ты узнаешь

Вычислять степени окисления элементов в соединениях и ионах
Определять процессы окисления и восстановления, окислитель и восстановитель
Расставлять коэффициенты в ОВР методом электронного баланса

Ржавление железного гвоздя, горение метана в газовой плите, ток в батарейке телефона и даже наше дыхание — всё это реакции одного типа: в них электроны переходят от одних атомов к другим. Такие реакции называют окислительно-восстановительными (ОВР). На этом уроке ты научишься вести «бухгалтерию» электронов.

Степень окисления

Определение

Степень окисления

Условный заряд атома, вычисленный в предположении, что все связи в веществе ионные. Знак пишут перед цифрой (Mn⁺⁷, O⁻²), а в настоящем заряде иона — после цифры (Mn²⁺, SO₄²⁻).

В простых веществах степень окисления атомов равна 0: Na, O₂, Cl₂, Fe.
В молекуле сумма степеней окисления равна 0, в ионе — заряду иона.
Фтор всегда −1; кислород обычно −2 (в H₂O₂ −1, в OF₂ +2).
Водород обычно +1, а в гидридах металлов (NaH, CaH₂) −1.
Металлы IA группы всегда +1, IIA группы +2, алюминий +3.

Пример задачи 1

Найди степени окисления серы в H₂SO₄, азота в NH₄⁺ и хрома в Cr₂O₇²⁻.

Показать решение

Каждый раз обозначаем неизвестную степень окисления через x.
H₂SO₄: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0 → x = +6.
NH₄⁺: x + 4 · (+1) = +1 → x = −3.
Cr₂O₇²⁻: 2x + 7 · (−2) = −2 → 2x = 12 → x = +6.

Окисление и восстановление

В реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu атом цинка отдаёт два электрона и переходит из Zn⁰ в Zn⁺² — это окисление. Ион меди принимает эти электроны: Cu⁺² → Cu⁰ — это восстановление. Частица, отдающая электроны, — восстановитель, принимающая — окислитель. Окисление и восстановление всегда идут одновременно: электроны, которые получил один атом, обязательно отдал другой.

Процесс	Электроны	Степень окисления	Роль вещества
Окисление	отдаются (−e⁻)	повышается	восстановитель
Восстановление	принимаются (+e⁻)	понижается	окислитель

Метод электронного баланса

Подобрать коэффициенты в ОВР «на глаз» часто трудно. Тогда опираемся на главное правило: число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

Σ e⁻ (отданные) = Σ e⁻ (принятые)

Главное условие электронного баланса

1
Расставь степени окисления
Определи степени окисления в схеме и отметь те, что меняются.
2
Составь электронные уравнения
Для каждого такого элемента запиши, сколько электронов он отдаёт или принимает.
3
Найди множители
Найди НОК отданных и принятых электронов и множитель для каждого уравнения.
4
Перенеси коэффициенты и доуравняй
Поставь множители перед главными веществами, затем уравняй металлы и кислотные остатки, в конце — водород и кислород.

Пример задачи 2

В доменной печи оксид железа(III) восстанавливают угарным газом: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Уравняй реакцию и найди массу железа, получаемого из 16 кг Fe₂O₃.

Показать решение

2Fe⁺³ + 6e⁻ → 2Fe⁰ | ×1 — восстановление, Fe₂O₃ — окислитель.
C⁺² − 2e⁻ → C⁺⁴ | ×3 — окисление, CO — восстановитель.
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
M(Fe₂O₃) = 2 · 56 + 3 · 16 = 160 г/моль; n = 16 000 г / 160 г/моль = 100 моль.
n(Fe) = 2 · 100 = 200 моль → m(Fe) = 200 · 56 = 11 200 г = 11,2 кг.

Пример задачи 3

Медь реагирует с разбавленной азотной кислотой: Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O. Расставь коэффициенты методом электронного баланса.

Показать решение

Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | ×3 — медь — восстановитель.
N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² | ×2 — HNO₃ — окислитель.
НОК(2, 3) = 6 → 3Cu и 2NO.
В 3Cu(NO₃)₂ ещё 6 атомов азота, не меняющих степень окисления → HNO₃: 2 + 6 = 8.
8 атомов H → 4H₂O. Проверка по кислороду: слева 8 · 3 = 24, справа 18 + 2 + 4 = 24.
3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

ОВР вокруг нас

Железо окисляется во влажном воздухе; упрощённое уравнение: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ — это ржавчина. В наших клетках глюкоза окисляется кислородом и даёт энергию: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. В металлургии металлы восстанавливают из руд. Батарейки «пропускают» электроны ОВР через провод — об этом на уроке электрохимии.

Интерактив

Загрузка симуляции…

Выделены галогены: они легко принимают один электрон (степень окисления −1) и поэтому являются сильными окислителями, самый сильный — фтор. Щелочные металлы слева — сильные восстановители: они легко отдают свой единственный внешний электрон.

Главное

Степень окисления — условный заряд: в молекуле их сумма равна 0, в ионе — заряду иона.
Окисление — потеря электронов (степень окисления растёт), восстановление — приобретение (снижается).
Восстановитель отдаёт электроны и окисляется; окислитель принимает их и восстанавливается (OIL RIG).
Электронный баланс: отданные электроны = принятые; НОК даёт множители.
Коррозия, дыхание, горение, металлургия и батарейки основаны на ОВР.

Проверь себя

Вопросов: 10. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 10

Какова степень окисления марганца в KMnO₄?