Окиснення та відновлення

Окисно-відновні реакції описують перенесення електронної густини через зміну ступенів окиснення. Окиснення — втрата електронів і підвищення ступеня окиснення, відновлення — приймання електронів і його зниження. Електрони, заряд і атоми мають балансуватися одночасно. Метод напівреакцій робить це явним і працює як у кислому, так і в лужному середовищі.

Ключові співвідношення: Ox + ne⁻ ⇌ Red · Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Наочна модель

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻Cu²⁺ + 2e⁻ → CuMnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂OСхема концептуальна і не виконана в масштабі.

Інтерактивна модель

Ступені окиснення як бухгалтерія електронів

У реакції Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu цинк переходить 0→+2 і формально віддає 2e⁻: це окиснення. Cu переходить +2→0 і приймає 2e⁻: це відновлення. Відновник сам окиснюється, а окисник сам відновлюється. Ступінь окиснення є формальним інструментом рахунку і не завжди дорівнює реальному частковому заряду атома.

Горіння теж є окисно-відновним процесом

У CH₄ вуглець має ступінь −4, а в CO₂ +4, отже він окиснюється на вісім одиниць. Кисень в O₂ має 0, у CO₂ і H₂O зазвичай −2, тому відновлюється. Так можна розпізнати окисно-відновний процес навіть без явних йонів чи металевих електродів. Зміна ступенів окиснення повинна відповідати однаковій загальній кількості відданих і прийнятих електронів.

Балансування в кислому середовищі

Напівреакцію MnO₄⁻→Mn²⁺ у кислому середовищі балансують поетапно: O через H₂O, H через H⁺, заряд через e⁻. Результат: MnO₄⁻+8H⁺+5e⁻→Mn²⁺+4H₂O. Для Fe²⁺→Fe³⁺ маємо Fe²⁺→Fe³⁺+e⁻. Перед складанням напівреакцій число електронів зрівнюють, після чого електрони мають повністю скоротитися.

Перехід до лужного середовища

Зручно спочатку збалансувати реакцію як кислу, а потім додати однакову кількість OH⁻ до обох частин, щоб нейтралізувати H⁺ до H₂O. Після скорочення зайвої води отримують лужну форму. Фінальна перевірка обов’язково включає число атомів кожного елемента і сумарний заряд обох частин; правильний атомний баланс без зарядового балансу недостатній.

Диспропорціонування

Одна й та сама речовина може одночасно бути джерелом окиснення і відновлення. У диспропорціонуванні H₂O₂ частина O зі ступенем −1 переходить до O₂ зі ступенем 0, а інша — до H₂O зі ступенем −2. Отже, одна початкова ступінь окиснення розходиться у вищу й нижчу. Існує й зворотний процес — компропорціонування. Після балансування корисно окремо підсумувати заряд лівої й правої частин. Якщо число атомів збігається, але заряд різний, рівняння все ще неправильне; електрони в сумарній хімічній реакції після складання напівреакцій повинні повністю скоротитися.

Завдання

Zn/Cu

Хто є відновником у Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu?

Розв’язання: Zn, бо віддає електрони й окиснюється від 0 до +2.

Зміна C

C переходить від −4 у CH₄ до +4 у CO₂. Скільком електронам відповідає зміна на один C?

Розв’язання: Підвищення на 8 одиниць відповідає формальній втраті 8e⁻ на атом C.

Перманганат

Скільки електронів потрібно для MnO₄⁻→Mn²⁺ у кислому середовищі?

Розв’язання: 5e⁻: MnO₄⁻+8H⁺+5e⁻→Mn²⁺+4H₂O.