Окислительно-восстановительные реакции. Метод электронного баланса
Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция с изменением степеней окисления. Окисление — отдача электронов (с. о. повышается); восстановление — приём электронов (с. о. понижается). Восстановитель отдаёт электроны и окисляется; окислитель принимает электроны и восстанавливается. Число отданных электронов равно числу принятых.
| Типичные восстановители | Типичные окислители |
|---|---|
| металлы в ОВР — всегда восстановители (\(\ce{Na}\), \(\ce{Mg}\), \(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\)); \(\ce{H2}\), \(\ce{C}\), \(\ce{CO}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2S}\) и сульфиды, галогениды (\(\ce{HI}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{KI}\)), \(\ce{SO2}\) и сульфиты, \(\ce{Fe^{2+}}\); элементы в низшей с. о. | кислород как окислитель \(\ce{O2}\), галогены (\(\ce{F2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{Br2}\)), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{H2SO4}\) конц., \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{K2Cr2O7}\), \(\ce{H2O2}\), \(\ce{Fe^{3+}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\), \(\ce{H+}\) кислот (с металлами); элементы в высшей с. о. |
Элемент в высшей степени окисления — только окислитель (\(\ce{\overset{+6}{S}}\), \(\ce{\overset{+5}{N}}\), \(\ce{\overset{+7}{Mn}}\)); элемент в низшей степени окисления — только восстановитель (\(\ce{\overset{-2}{S}}\), \(\ce{\overset{-3}{N}}\), \(\ce{\overset{-1}{Cl}}\)); в промежуточной степени окисления — и то и другое (\(\ce{\overset{0}{S}}\), \(\ce{\overset{+4}{S}}\), \(\ce{\overset{+3}{N}}\), \(\ce{H2O2}\)).
Признак ОВР — участие простых веществ или изменение с. о. в сложных: все реакции замещения, горение, реакции металлов с кислотами; реакции обмена — не ОВР.
Лайфхак. Запоминалка: «восстановитель отдаёт электроны и окисляется», окислитель — наоборот, принимает и восстанавливается. Степень окисления растёт — окисление (\(\ce{Zn^0 -> Zn^{+2}}\)), падает — восстановление (\(\ce{Cu^{+2} -> Cu^0}\)).
Интересный факт. Каждая батарейка — это ОВР, «разделённая» проводом: цинк отдаёт электроны, оксид марганца(IV) их принимает, а электроны по пути проходят через лампочку или телефон. Дыхание — тоже цепь ОВР: питательные вещества окисляются, а кислород восстанавливается до воды.
Из истории. Слова «окисление» и «восстановление» старше теории электронов: окислением сначала называли присоединение кислорода, а восстановлением — «возвращение» металла из руды в исходное состояние. Электронное объяснение появилось только в XX веке.
Ловушка ОГЭ. Окислитель — частица, которая принимает электроны, а сама при этом восстанавливается; не путайте окислитель с процессом окисления. В реакции \(\ce{Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2}\) окислитель — ионы водорода \(\ce{H+}\), а хлорид-ионы степень окисления не меняют.
- Расставить с. о. всех элементов и найти те, что изменились: \(\ce{\overset{0}{Cu} + H\overset{+5}{N}O3 -> \overset{+2}{Cu}(NO3)2 + \overset{+2}{N}O + H2O}\).
- Записать электронные уравнения: \(\ce{\overset{0}{Cu} - 2e^- -> \overset{+2}{Cu}}\) (восстановитель, окисление); \(\ce{\overset{+5}{N} + 3e^- -> \overset{+2}{N}}\) (окислитель, восстановление).
- Уравнять число отданных и принятых электронов (НОК = 6): для \(\ce{Cu}\) множитель 3, для \(\ce{N}\) — 2.
- Перенести множители в уравнение и проверить: \(\ce{3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\) (коэффициент перед \(\ce{HNO3}\) — с учётом азота, ушедшего в соль: \(3 \cdot 2 + 2 = 8\)); кислород сходится.
| Реакция | Электронный баланс |
|---|---|
| \(\ce{2Al + 3S = Al2S3}\) | \(\ce{\overset{0}{Al} - 3e^- -> \overset{+3}{Al}}\) | 2 (восстановитель); \(\ce{\overset{0}{S} + 2e^- -> \overset{-2}{S}}\) | 3 (окислитель) |
| \(\ce{2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ^ + 8H2O}\) | \(\ce{\overset{+7}{Mn} + 5e^- -> \overset{+2}{Mn}}\) | 2; \(\ce{2\overset{-1}{Cl} - 2e^- -> \overset{0}{Cl2}}\) | 5; окислитель \(\ce{KMnO4}\), восстановитель \(\ce{HCl}\) |
| \(\ce{Cu + 2H2SO4(\text{конц.}) = CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\) | \(\ce{\overset{0}{Cu} - 2e^- -> \overset{+2}{Cu}}\) | 1; \(\ce{\overset{+6}{S} + 2e^- -> \overset{+4}{S}}\) | 1 |
| \(\ce{Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2}\) | \(\ce{\overset{+3}{Fe} + 3e^- -> \overset{0}{Fe}}\) | 2; \(\ce{\overset{+2}{C} - 2e^- -> \overset{+4}{C}}\) | 3 |
| \(\ce{2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O}\) | \(\ce{\overset{-2}{S} - 6e^- -> \overset{+4}{S}}\) | 2; \(\ce{\overset{0}{O2} + 4e^- -> 2\overset{-2}{O}}\) | 3 |
| \(\ce{4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O}\) | \(\ce{\overset{-3}{N} - 5e^- -> \overset{+2}{N}}\) | 4; \(\ce{\overset{0}{O2} + 4e^- -> 2\overset{-2}{O}}\) | 5 |
Если в балансе участвует двухатомная молекула (\(\ce{O2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{N2}\)), удобно записывать её целиком: \(\ce{\overset{0}{O2} + 4e^- -> 2\overset{-2}{O}}\). В задании 20 ОГЭ нужно: расставить с. о., составить баланс, указать окислитель и восстановитель, поставить коэффициенты.
Лайфхак. Проверка баланса — по кислороду: если после расстановки коэффициентов атомов \(\ce{O}\) слева и справа поровну, всё верно. Коэффициент перед \(\ce{HNO3}\) складывается из двух частей: азот-окислитель плюс азот, ушедший в соль.
Ловушка ОГЭ. В балансе учитывают число атомов в молекуле: молекула \(\ce{Cl2}\) принимает 2 электрона, \(\ce{O2}\) — 4. И не забудьте в ответе назвать окислитель и восстановитель — за это тоже дают балл.
Как это спрашивают на ОГЭ. Задание 20 — схема реакции без коэффициентов: составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты (3 балла). Задание 15 — установить соответствие между схемой процесса (например, \(\ce{S^{+4} -> S^{+6}}\)) и его названием: окисление или восстановление.
Лайфхак. Проверка баланса — по кислороду: если после расстановки коэффициентов атомов \(\ce{O}\) слева и справа поровну, всё верно. Коэффициент перед \(\ce{HNO3}\) складывается из двух частей: азот-окислитель плюс азот, ушедший в соль.
Как это спрашивают на ОГЭ. Задание 20 — схема реакции без коэффициентов: составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты (3 балла). Задание 15 — установить соответствие между схемой процесса (например, \(\ce{S^{+4} -> S^{+6}}\)) и его названием: окисление или восстановление.
Закрепите теорию: 12 терминов с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.
Пройти урок arrow_forward