Почему цинк в медном купоросе покрывается медью, а железо ржавеет? Подбирай множители электронного баланса и смотри, как электроны перелетают от восстановителя к окислителю, пока отданных не станет столько же, сколько принятых.
Цинковая пластинка в растворе медного купороса покрывается медью. Каждый атом цинка отдает два электрона и уходит в раствор ионом Zn²⁺. Эти электроны забирает ион меди Cu²⁺ и становится атомом меди. Отдать электроны значит окислиться, принять значит восстановиться. Одно без другого не бывает: электронам некуда деться.
Чтобы следить за электронами, каждому атому приписывают степень окисления: условный заряд, как если бы все связи были ионными. У простого вещества она 0, у Cu²⁺ равна +2, у кислорода в оксидах −2. Если степень окисления выросла, атом отдал электроны. Если уменьшилась, принял.
ⓘ Коэффициенты в уравнении появляются, когда баланс сошелся. Вещества, атомы которых не меняют степень окисления (кислород в оксидах, сера в сульфате), уравнивают после баланса обычным подсчетом атомов.
Сначала расставь степени окисления и найди атомы, у которых они меняются. Потом посчитай, сколько электронов отдает и принимает каждый. Потом уравняй электроны множителями. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка шага, на котором ты сейчас, подсвечена.
Шаг 1. Степени окисления
Сумма степеней окисления всех атомов молекулы равна нулю, а у иона равна его заряду. Отсюда находят неизвестную степень: в HNO₃ водород +1, три кислорода −6, значит азот +5.
Шаг 2. Сколько электронов
Число электронов равно изменению степени окисления, умноженному на число атомов этого элемента в частице. Два атома железа в Fe₂O₃ принимают по 3, вместе 6.
Шаг 3. Баланс
Множитель восстановителя на его электроны равен множителю окислителя на его электроны. Удобнее всего взять наименьшее общее кратное: для 3 и 4 это 12, множители 4 и 3.
ОВР = окисление + восстановление
Электрон не может просто исчезнуть или появиться: заряд сохраняется. Поэтому любая окислительно-восстановительная реакция это две полуреакции, сцепленные вместе. Восстановитель окисляется, окислитель восстанавливается. Звучит путано, но правило простое: восстановитель «восстанавливает» другого, отдавая ему электроны, а сам при этом окисляется.
Кто будет восстановителем, подсказывает ряд активности: металлы левее легче отдают электроны. Цинк вытесняет медь из раствора, а медь цинк не вытесняет. Сильные окислители это вещества с атомами в высокой степени окисления, которые жадно принимают электроны: O₂, азот +5 в азотной кислоте, Fe³⁺. После электронного баланса остальные атомы, например кислород, водород и кислотные остатки, уравнивают обычным подсчетом, как в теме об уравнивании реакций.
Почти все металлы в руде окислены: железо в Fe₂O₃, медь в сульфидах. Получить металл значит восстановить его. В доменной печи восстановитель это угарный газ CO из кокса, на тонну чугуна уходит около 0,5 т кокса.
Ржавление это окисление железа кислородом воздуха в присутствии воды. Защита от коррозии строится на том, чтобы не дать железу отдавать электроны: краска, смазка, цинковое покрытие, которое окисляется первым.
Алюминий отнимает кислород у оксида железа так энергично, что получается жидкое железо при 2500 °C. Им сваривают рельсы прямо на пути и стыки толстых кабелей заземления, без электричества.
Горение это окислительно-восстановительная реакция: углерод и водород топлива отдают электроны кислороду. Во взрывчатке на основе аммиачной селитры окислитель, азот +5, и горючее смешаны заранее, поэтому реакция идет без воздуха.
Золото и медь переводят из руды в раствор окислителями: цианидное выщелачивание золота идет с кислородом воздуха. Азотная кислота и хлорное железо FeCl₃ растворяют медь, так травят печатные платы.
В аккумуляторе при разряде одни вещества окисляются, другие восстанавливаются, а электроны идут через внешнюю цепь. Моторное масло стареет, окисляясь кислородом воздуха при нагреве, поэтому в него добавляют антиокислительные присадки.
Степень окисления это условность: в ковалентных молекулах, например CO или NO, электроны не переходят целиком, а только смещаются. Метод баланса все равно дает верные коэффициенты. Рисунок показывает электроны на отдельных атомах; на самом деле в растворе реакция идет на поверхности металла и через ионы. В реакции меди с азотной кислотой показан один основной продукт; в реальной кислоте средней концентрации выделяется смесь NO и NO₂. Ржавчина записана упрощенно как Fe₂O₃, хотя это водный оксид с переменным составом.