Ступені окиснення, окисники й відновники та зрівнювання напівреакціями

Що фіксує ступінь окиснення

Ступінь окиснення — це заряд, який мав би атом, якби кожен зв’язок між різними атомами був цілком йонним, а спільні електрони відносилися до електронегативнішого атома; електрони, спільні між однаковими атомами, ділять порівну. Це формальний підрахунок, а не виміряний заряд. У воді Оксигену приписують −2, а кожному Гідрогену +1, хоча справжні часткові заряди набагато менші.

Окиснення — це збільшення ступеня окиснення, що відповідає втраті електронів. Відновлення — це зменшення ступеня окиснення, тобто приєднання електронів. Вони завжди відбуваються разом, бо електрони, втрачені однією частинкою, мають бути приєднані іншою. У будь-якому окисно-відновному рівнянні загальне збільшення ступеня окиснення дорівнює загальному зменшенню, і на цій рівності ґрунтується кожен метод зрівнювання.

Визначення ступенів окиснення в порядку пріоритету

Застосовуйте правила від початку списку донизу. Коли два правила суперечать одне одному, перемагає вище, а останній невідомий атом у формулі знаходять за різницею.

Для дигідрогенфосфат-йона, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, тож P = +5. Для тетратіонат-йона, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, тож чотири атоми Сульфуру разом мають +10, а середнє становить +2.5. Дробовий результат означає, що атоми одного елемента перебувають у різних оточеннях, а наведене число — середнє. Магнетит, Fe₃O₄, має середнє +8/3, бо містить один Fe²⁺ на кожні два Fe³⁺.

• Атом у простій речовині має 0 (Fe, O₂, S₈).
• Одноатомний йон має ступінь окиснення, що дорівнює його заряду (Mg²⁺ — це +2, Br⁻ — це −1).
• Ступені окиснення у формулі в сумі дають її загальний заряд.
• Флуор має −1 в усіх своїх сполуках.
• Метали групи 1 у сполуках мають +1, а метали групи 2 — +2.
• Гідроген має +1 з неметалами і −1 у гідридах металів, як-от NaH.
• Оксиген зазвичай має −2, але −1 у пероксидах (H₂O₂), −½ у надпероксидах (KO₂) і +2 в OF₂.
• Хлор, бром і йод зазвичай мають −1, окрім випадків зв’язку з Оксигеном або з легшим галогеном.

Як назвати окисник і відновник

Окисник приєднує електрони й спричиняє окиснення чогось іншого, тож сам відновлюється. Відновник віддає електрони й сам окиснюється. Називайте цілу частинку, а не окремий атом.

Розгляньте 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Ферум підвищується від +2 до +3, тож Fe²⁺ окиснюється й є відновником. Оксиген знижується від −1 у пероксиді до −2 у воді, тож H₂O₂ відновлюється й є окисником. Гідроген увесь час лишається +1. Два йони Феруму віддають по одному електрону, а два атоми Оксигену пероксиду приєднують по одному, тож два електрони втрачено й два приєднано.

Одна частинка може відігравати обидві ролі. У Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O один атом Хлору переходить від 0 до −1, а інший — від 0 до +1. Це диспропорціонування, і Cl₂ є одночасно окисником і відновником.

Зрівнювання напівреакціями в кислому середовищі

Відокремлення окиснення від відновлення дає змогу зрівняти кожен перенос електронів окремо, а потім об’єднати половини так, щоб електрони скоротилися. Вода постачає атоми Оксигену, а H⁺ — атоми Гідрогену, бо саме ці частинки реально присутні в кислій воді.

Розв’язаний приклад 1. У кислому середовищі дихромат окиснює нітрит: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Хром переходить від +6 до +3, а Нітроген — від +3 до +5. Півреакція окиснення: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, із зарядом −1 з кожного боку. Півреакція відновлення: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, із зарядом +6 з кожного боку. Шість електронів відповідають двом атомам Хрому, кожен з яких змінюється на три одиниці.

Помножте півреакцію окиснення на 3, щоб обидві половини містили 6e⁻, а потім додайте: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Скоротіть 6H⁺ і 3H₂O з кожного боку: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Перевірка: Cr 2 і 2; N 3 і 3; O 7 + 6 = 13 і 9 + 4 = 13; H 8 і 8; заряд −2 + 8 − 3 = +3 і +6 − 3 = +3.

• Розділіть схему рівняння на півреакцію окиснення та півреакцію відновлення.
• Зрівняйте кожен елемент, крім O і H.
• Зрівняйте O додаванням H₂O, потім зрівняйте H додаванням H⁺.
• Зрівняйте заряд, додавши електрони до більш позитивного боку.
• Домножте половини так, щоб електрони збіглися, додайте їх і скоротіть усе, що є з обох боків.
• Перевірте атоми й заряд і переконайтеся, що електронів не лишилося.

Перенесення методу на лужне середовище

У лужному середовищі OH⁻ багато, і кінцеве рівняння не повинно містити H⁺. Зрівняйте так, ніби розчин кислий, а потім додайте до обох боків стільки OH⁻, щоб перетворити кожен H⁺ на воду. Додавання тієї самої частинки до обох боків зберігає рівновагу рівняння.

Розв’язаний приклад 2. Гіпохлорит окиснює хром(III) гідроксид до хромату в лузі: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Хром переходить від +3 до +6, а Хлор — від +1 до −1. Півреакція окиснення: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Півреакція відновлення: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Найменше спільне кратне чисел 3 і 2 дорівнює 6, тому подвойте першу половину й потройте другу.

Додавання та скорочення дає 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Додайте 4OH⁻ до обох боків; праворуч 4H⁺ + 4OH⁻ стає 4H₂O. Остаточно: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Перевірка: Cr 2 і 2; Cl 3 і 3; O 6 + 3 + 4 = 13 і 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 і 10; заряд −7 з кожного боку.

Типові помилки в обліку окисно-відновних процесів

Більшість помилок в окисно-відновних реакціях — це помилки обліку, і для кожної є своя перевірка.

Як остаточний тест підтвердьте лише за ступенями окиснення, що втрачені електрони дорівнюють приєднаним. У розв’язаному прикладі 2 два атоми Хрому втрачають по 3 електрони (разом 6), а три атоми Хлору приєднують по 2 (також 6).

• Називання атома окисником чи відновником: пишіть, що окисник — Cr₂O₇²⁻, а не хром.
• Підрахунок зміни на атом, а не на формулу: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ забирає 6 електронів, а не 3.
• Електрони не з того боку: вони є продуктами в півреакції окиснення і реагентами в півреакції відновлення. Якщо перевірка заряду не вдається, шукайте насамперед тут.
• Зрівнювання Оксигену за допомогою O, O₂ чи O²⁻ замість H₂O. Вільних оксид-йонів у воді не існує.
• Залишений H⁺ у відповіді для лужного середовища або забуте скорочення води після додавання OH⁻.
• Припущення, що Оксиген завжди має −2: перевіряйте пероксиди, надпероксиди та зв’язки O–F.
• Змішування позначень: ступінь окиснення записують спершу зі знаком (+3); заряд йона — спершу з числом (3+).