Урок 05. Окислительно-восстановительные реакции

Научиться находить степени окисления, замечать перенос электронов, различать окисление и восстановление, называть окислитель и восстановитель и составлять простой электронный баланс.

Понадобятся тетрадь, ручка и периодическая таблица. Все задания выполняем на бумаге или в заметке, без самостоятельных химических опытов. Автономный веб-тренажёр находится в папке Химия/Тренажёры/Окислительно-восстановительные реакции основного учебного проекта.

Все уроки · Перейти к заданиям

Материалы к уроку

• Веб-тренажёр «Окислительно-восстановительные реакции»: открыть
• Рабочие листы для печати (PDF, A4): Лист А · Лист Б · Лист В

Степень окисления

Степень окисления — условный заряд атома, если считать все связи ионными. Для первого знакомства используем пять правил:

1. У элемента в простом веществе степень окисления 0: $H_2^0$, $O_2^0$, $F{e}^0$.
2. У кислорода в обычных оксидах и большинстве соединений она равна $-2$.
3. У водорода в соединениях с неметаллами она обычно равна $+1$.
4. У Na она $+1$, у Mg и Ca — $+2$, у Al — $+3$.
5. Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном веществе равна 0.

Как найти неизвестную степень окисления

Действуй в четыре шага:

1. Подпиши известные степени окисления.
2. Умножь степень окисления каждого элемента на число его атомов — индекс в формуле.
3. Сложи полученные числа. В нейтральной молекуле их сумма должна быть равна 0.
4. Найди неизвестное число и обязательно сделай проверку.

Пример 1. $S{O}_2$

• У серы один атом, поэтому её неизвестная степень окисления входит в сумму как $x$.
• У кислорода обычно степень окисления $-2$.
• Индекс 2 в формуле $S{O}_2$ означает два атома кислорода, поэтому их общий вклад: $2\cdot (-2)=-4$.
• Молекула нейтральна, значит, сумма равна 0:

$$x+2\cdot (-2)=0,$$ $$x-4=0,x=+4.$$

Проверка: $(+4)+2\cdot (-2)=+4-4=0$. Значит, у серы в $S{O}_2$ степень окисления $+4$.

Пример 2. $N{H}_3$

У водорода в соединении с неметаллом степень окисления $+1$. Атомов водорода три, поэтому их общий вклад равен $3\cdot (+1)=+3$:

$$x+3\cdot (+1)=0,$$ $$x+3=0,x=-3.$$

Проверка: $(-3)+3\cdot (+1)=0$. У азота в $N{H}_3$ степень окисления $-3$.

Пример 3. $KMn{O}_4$

У калия степень окисления $+1$, а четыре атома кислорода дают $4\cdot (-2)=-8$. Неизвестна степень окисления марганца:

$$(+1)+x+4\cdot (-2)=0,$$ $$1+x-8=0,x=+7.$$

Проверка: $(+1)+(+7)+4\cdot (-2)=1+7-8=0$. У марганца в $KMn{O}_4$ степень окисления $+7$.

Важная граница модели

Степень окисления — расчётная величина. Она не означает, что каждый атом в любом веществе существует как отдельный ион.

Окисление и восстановление

ОВР — реакция, в которой изменяются степени окисления элементов.

• Окисление: частица отдаёт электроны, степень окисления повышается.
• Восстановление: частица принимает электроны, степень окисления понижается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.

Короткая опора

Отдал электроны → окислился → восстановитель. Принял электроны → восстановился → окислитель.

Число отданных электронов всегда равно числу принятых.

Разобранный пример

$$CuO+H_2\to Cu+H_{2}O.$$

В $CuO$ медь имеет $+2$, а в простом веществе $Cu$ — 0. Медь принимает 2 электрона и восстанавливается:

$$C{u}^{+2}+2e^{-}\to C{u}^0.$$

Водород меняет степень окисления с 0 в $H_2$ до $+1$ в воде. Молекула водорода отдаёт 2 электрона и окисляется:

$$H_2^0-2e^{-}\to 2H^{+1}.$$

$CuO$ содержит окислитель, а $H_2$ является восстановителем. Отдано и принято по 2 электрона, поэтому уравнение уже уравнено.

Электронный баланс

Нужно уравнять:

$$Al+CuO\to A{l}_2{O}_3+Cu.$$

1. Изменения: $A{l}^0\to A{l}^{+3}$, $C{u}^{+2}\to C{u}^0$.
2. Электроны: Al отдаёт 3e⁻, Cu принимает 2e⁻.
3. Наименьшее общее кратное 3 и 2 равно 6: для Al нужен множитель 2, для Cu — 3.
4. Переносим множители в уравнение и проверяем атомы:

$$2Al+3CuO\to A{l}_2{O}_3+3Cu.$$

Меняются только коэффициенты. Индексы внутри формул сохраняются.

Как проверить, является ли реакция ОВР

В реакции $Fe+CuS{O}_4\to FeS{O}_4+Cu$ железо меняет степень окисления $0\to +2$, а медь $+2\to 0$. Это ОВР.

В реакции $HCl+NaOH\to NaCl+H_{2}O$ степени окисления не меняются. Это не ОВР.

Классификация по составу и признак ОВР отвечают на разные вопросы. Реакция может одновременно быть замещением и ОВР.

Наглядная схема

flowchart TD
    A["Поставить степени<br/>окисления"] --> B{"Есть изменения?"}
    B -->|"нет"| C["Не ОВР"]
    B -->|"да"| D["Степень выросла<br/>отдал e⁻"]
    B -->|"да"| E["Степень снизилась<br/>принял e⁻"]
    D --> F["Окисление<br/>восстановитель"]
    E --> G["Восстановление<br/>окислитель"]
    F --> H["Уравнять<br/>отданные и принятые e⁻"]
    G --> H
    H --> I["Поставить коэффициенты<br/>и проверить атомы"]
    classDef focus fill:#fff3bf,stroke:#e67700,color:#212529;
    classDef transfer fill:#d0ebff,stroke:#1971c2,color:#212529;
    class D,E,F,G transfer;
    class H,I focus;

Тренировка по шагам

Работай сверху вниз. Сначала запиши собственный ответ, затем открой разбор непосредственно под заданием. Исправление пиши ниже первой попытки, не стирая её.

Шаг 1. Степени окисления в простых веществах

Назови степени окисления элементов в $O_2$, $Fe$ и $H_2$.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 1

Во всех трёх простых веществах степень окисления элемента равна 0: O⁰, Fe⁰ и H⁰.

Шаг 2. Найди неизвестную степень окисления

Найди степень окисления серы в $S{O}_3$.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 2

У кислорода $-2$. Сумма в нейтральном веществе равна 0: $x+3\cdot (-2)=0$, поэтому $x=+6$. У серы степень окисления $+6$.

Шаг 3. Узнай ОВР

Какая реакция является ОВР и почему?

1. $NaOH+HCl\to NaCl+H_{2}O$
2. $2Mg+O_2\to 2MgO$

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 3

Вторая реакция является ОВР: Mg меняется $0\to +2$, O меняется $0\to -2$. В первой реакции степени окисления не изменяются.

Шаг 4. Окисление и восстановление

В реакции $Zn+2HCl\to ZnC{l}_2+H_2$ укажи, что окисляется и что восстанавливается.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 4

Zn: $0\to +2$, отдаёт 2e⁻ и окисляется. H: $+1\to 0$, принимает электроны и восстанавливается. Cl остаётся $-1$.

Шаг 5. Назови окислитель и восстановитель

В реакции $CuO+H_2\to Cu+H_{2}O$ назови окислитель и восстановитель.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 5

Cu в $CuO$ принимает электроны и восстанавливается, поэтому $CuO$ — окислитель. $H_2$ отдаёт электроны и окисляется, поэтому он — восстановитель.

Шаг 6. Уравняй электроны

Для переходов $A{l}^0-3e^{-}\to A{l}^{+3}$ и $C{u}^{+2}+2e^{-}\to C{u}^0$ подбери множители, чтобы число электронов совпало.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 6

Наименьшее общее кратное 3 и 2 равно 6. Переход Al умножаем на 2, переход Cu — на 3. Отдано и принято по 6 электронов.

Шаг 7. Закончи электронный баланс

Расставь коэффициенты: $Al+CuO\to A{l}_2{O}_3+Cu$.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 7

$2Al+3CuO\to A{l}_2{O}_3+3Cu$. Проверка: Al — 2, Cu — 3, O — 3 с каждой стороны. Индексы не изменялись.

Шаг 8. Итог урока

Закончи фразы: «Восстановитель … электроны и сам … . Окислитель … электроны и сам …».

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 8

Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.

Вопросы ученика

Предыдущий урок