Окисні й відновні властивості неметалів

У хімії неметали можуть виступати і в ролі окисників, і в ролі відновників. Усе залежить від того, з яким елементом вони взаємодіють. Щоб упевнено визначати роль неметалу в реакції, потрібно стежити за зміною його ступеня окиснення.

Окисник і відновник: коротке нагадування

Окисник — це частинка (атом, молекула чи йон), яка приймає електрони. Унаслідок цього ступінь окиснення окисника знижується. Відновник, навпаки, віддає електрони, тому його ступінь окиснення підвищується. Докладно цю тему розглянуто в юніті «Окисно-відновні реакції: окисник і відновник». Тут ми застосуємо це правило до простих речовин-неметалів.

Проста речовина-неметал: ступінь окиснення 0

У простій речовині ступінь окиснення елемента дорівнює 0. Неметал може як знижувати цей ступінь (приймати електрони — бути окисником), так і підвищувати (віддавати електрони — бути відновником).

Чому неметали з металами — окисники?

Метали мають низьку електронегативність, тому легко віддають електрони. Неметали, навпаки, мають високу електронегативність і прагнуть електрони прийняти. Тому в реакції з металом неметал завжди виступає окисником, а метал — відновником. Те саме стосується водню: він менш електронегативний, ніж хлор, кисень, сірка чи вуглець, тому з ними водень — відновник, а неметал — окисник.

Коли неметал стає відновником?

Якщо зіштовхнути два неметали, окисником буде той, чия електронегативність вища. Найелектронегативніший елемент — Флуор (F). Тому F₂ завжди виступає лише окисником. Кисень поступається електронегативністю лише фтору, тому O₂ майже в усіх реакціях — окисник. Але для інших неметалів (S, C, P, N, H₂) кисень є сильнішим окисником, тому вони з киснем стають відновниками: S + O₂ → SO₂ (S⁰ → S⁺⁴), C + O₂ → CO₂ (C⁰ → C⁺⁴).

Водень як окисник

Зазвичай водень — відновник. Однак із найактивнішими металами (лужними та лужноземельними) він може бути окисником, приймаючи електрони й перетворюючись на гідрид-йон H⁻. Наприклад: 2Na + H₂ → 2NaH. Тут ступінь окиснення Гідрогену знижується з 0 до −1, отже, H₂ — окисник.

У цьому розділі розглянемо, як неметали (кисень, хлор, сірка, вуглець) реагують з металами та воднем. У всіх цих реакціях неметал виступає окисником — його ступінь окиснення знижується.

Кисень (O₂)

Кисень — сильний окисник. Він окиснює майже всі метали, утворюючи оксиди:

• 2Mg + O₂ → 2MgO — магній згоряє яскравим полум'ям

• 2Cu + O₂ → 2CuO (під час нагрівання) — чорний порошок купрум(II) оксиду

• 2H₂ + O₂ → 2H₂O — водень згоряє, утворюючи воду

У всіх випадках ступінь окиснення Оксигену знижується з 0 до −2. Кисень — окисник.

Хлор (Cl₂)

Хлор — дуже сильний окисник. Він реагує з металами й воднем, утворюючи хлориди:

• 2Na + Cl₂ → 2NaCl — натрій хлорид (кухонна сіль)

• 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ — ферум(III) хлорид (хлор окиснює залізо до +3)

• Cu + Cl₂ → CuCl₂ — купрум(II) хлорид

• H₂ + Cl₂ → 2HCl — на світлі суміш вибухає, утворюючи хлороводень

Важливо: хлор окиснює залізо до ступеня +3, а не +2. Тому продукт — FeCl₃, а не FeCl₂.

Сірка (S)

Сірка — слабший окисник, ніж хлор. Вона реагує з металами й воднем під час нагрівання:

• Fe + S → FeS — ферум(II) сульфід (сірка окиснює залізо лише до +2)

• Zn + S → ZnS — цинк сульфід

• 2Al + 3S → Al₂S₃ — алюміній сульфід

• H₂ + S → H₂S — сірководень

Ступінь окиснення Сульфуру знижується з 0 до −2. Сірка — окисник. Зверни увагу: сірка окиснює залізо до FeS (ступінь +2), а хлор — до FeCl₃ (ступінь +3). Це тому, що сірка слабший окисник.

Вуглець (C)

Вуглець під час сильного нагрівання реагує з металами, утворюючи карбіди, а з воднем — метан:

• 4Al + 3C → Al₄C₃ — алюміній карбід

• Ca + 2C → CaC₂ — кальцій карбід (ступінь окиснення Карбону −1)

• C + 2H₂ → CH₄ — метан (нагрівання, каталізатор); ступінь окиснення Карбону −4

Спільна риса продуктів

У всіх продуктах реакцій неметалів з металами й воднем неметалічний елемент має від'ємний ступінь окиснення (Cl⁻¹, S⁻², O⁻², C⁻⁴), а метал або Гідроген — додатний. Це підтверджує, що неметал виступив окисником.

Водень і вуглець можуть виступати відновниками, тобто віддавати електрони й підвищувати свій ступінь окиснення. Найважливіше застосування цих відновників — добування металів з їхніх оксидів.

Водень відновлює метали з оксидів

Якщо пропускати газоподібний водень над нагрітим оксидом металу, водень забирає Оксиген, перетворюючись на воду, а метал відновлюється до простої речовини:

• CuO + H₂ → Cu + H₂O — чорний порошок купрум(II) оксиду стає червоним (мідь), на холодних стінках посудини з'являються краплі води

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O — відновлення заліза з руди

• WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O — добування вольфраму

У цих реакціях водень — відновник: його ступінь окиснення підвищується з 0 до +1 (H₂⁰ → H⁺¹). Металічний елемент у складі оксиду відновлюється: його ступінь окиснення знижується (Cu⁺² → Cu⁰, Fe⁺³ → Fe⁰).

Вуглець відновлює метали з оксидів

Вуглець (у вигляді вугілля або коксу) під час нагрівання також відновлює метали з оксидів. Він окиснюється до карбон(IV) оксиду CO₂ або — за високої температури — до карбон(II) оксиду CO:

• 2CuO + C → 2Cu + CO₂ — мідь і вуглекислий газ

• ZnO + C → Zn + CO — цинк і чадний газ

Тут вуглець — відновник: C⁰ → C⁺⁴ (у реакції із ZnO — C⁰ → C⁺²). Купрум відновлюється: Cu⁺² → Cu⁰.

Неметали як відновники в реакціях з киснем

З киснем більшість неметалів (крім фтору) виступають відновниками, оскільки кисень — сильніший окисник:

• S + O₂ → SO₂ — сульфур(IV) оксид (S⁰ → S⁺⁴)

• C + O₂ → CO₂ — карбон(IV) оксид (C⁰ → C⁺⁴)

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ — фосфор(V) оксид (P⁰ → P⁺⁵)

• N₂ + O₂ → 2NO — нітроген(II) оксид (електричний розряд; N⁰ → N⁺²)

Зверни увагу: та сама сірка із залізом — окисник (Fe + S → FeS, S⁰ → S⁻²), а з киснем — відновник (S + O₂ → SO₂, S⁰ → S⁺⁴). Роль неметалу залежить від партнера по реакції.

Тип реакції

Відновлення оксиду воднем чи вуглецем — це водночас реакція заміщення й окисно-відновна реакція. Продуктами є метал і вода (з H₂) або метал і CO₂ чи CO (з C — залежно від умов). Ніколи не утворюється гідроксид металу чи кисень.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему окисних і відновних властивостей неметалів.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді

Завдання: У якій реакції сірка є відновником?

• А) Fe + S → FeS

• Б) H₂ + S → H₂S

• В) S + O₂ → SO₂

• Г) Zn + S → ZnS

Розв'язання: Визначаємо ступінь окиснення Сульфуру в реагентах (S⁰) і в продуктах. У варіантах А, Б, Г сірка перетворюється на S⁻² — її ступінь окиснення знизився, отже, сірка — окисник. Лише у варіанті В ступінь окиснення Сульфуру підвищується з 0 до +4 (S⁰ → S⁺⁴), тому сірка — відновник.

Відповідь: В) S + O₂ → SO₂.

Чому інші варіанти неправильні: у Fe + S → FeS, H₂ + S → H₂S і Zn + S → ZnS сірка приймає електрони (S⁰ → S⁻²), тобто є окисником, а не відновником.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді

Завдання: Які речовини утворюються, коли водень пропускають над нагрітим купрум(II) оксидом?

• А) купрум(II) гідроксид

• Б) мідь і вода

• В) мідь і кисень

• Г) реакція не відбувається, бо водень — неметал

Розв'язання: Водень відновлює Купрум з оксиду: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Чорний порошок CuO перетворюється на червону мідь, а на холодних стінках з'являються краплі води.

Відповідь: Б) мідь і вода.

Чому інші варіанти неправильні: гідроксид (А) не утворюється, бо немає йонів OH⁻; кисень (В) не виділяється, бо Оксиген переходить у воду; твердження (Г) хибне — водень, хоч і неметал, активно відновлює метали з оксидів.

Приклад 3. Логічні пари

Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктом реакції (А–Д).

Розв'язання: Fe + S → FeS (сірка окиснює залізо до +2, утворюючи ферум(II) сульфід). 2Na + Cl₂ → 2NaCl (натрій хлорид). C + 2H₂ → CH₄ (метан).

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В.

Чому інші варіанти неправильні: Fe₂S₃ (Г) не утворюється, бо сірка — слабший окисник, ніж хлор, і не може окиснити залізо до +3. C₂H₂ (Д) за цих умов не утворюється: вуглець із воднем під час нагрівання в присутності каталізатора дає метан CH₄.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді

Завдання: У якій реакції вуглець змінює ступінь окиснення з 0 до −4?

• А) C + O₂ → CO₂

• Б) C + 2H₂ → CH₄

• В) 2CuO + C → 2Cu + CO₂

• Г) 2C + O₂ → 2CO

Розв'язання: Визначаємо ступінь окиснення Карбону до й після реакції. У варіанті А: C⁰ → C⁺⁴ (підвищення). У варіанті Б: C⁰ → C⁻⁴ (зниження). У варіанті В: C⁰ → C⁺⁴ (підвищення). У варіанті Г: C⁰ → C⁺² (підвищення). Лише в реакції C + 2H₂ → CH₄ ступінь окиснення Карбону знижується з 0 до −4.

Відповідь: Б) C + 2H₂ → CH₄.

Чому інші варіанти неправильні: у C + O₂ → CO₂ і 2CuO + C → 2Cu + CO₂ ступінь окиснення Карбону підвищується до +4 (вуглець — відновник). У 2C + O₂ → 2CO ступінь окиснення підвищується до +2.

• Вважати, що неметали бувають лише окисниками. Насправді з киснем сірка, вуглець, фосфор і азот — відновники: S + O₂ → SO₂, C + O₂ → CO₂. Неметал може бути як окисником, так і відновником — усе залежить від партнера по реакції.

• Вважати водень завжди відновником. З натрієм чи кальцієм він окисник: 2Na + H₂ → 2NaH (NaH — натрій гідрид, ступінь окиснення Гідрогену −1).

• Записувати Fe + Cl₂ → FeCl₂ або Fe + S → Fe₂S₃. Пам'ятай: хлор — сильний окисник, він окиснює залізо до +3 (FeCl₃). Сірка — слабший окисник, вона окиснює залізо лише до +2 (FeS).

• Плутати, що відновлюється в реакції CuO + H₂. Відновлюється Купрум (Cu⁺² → Cu⁰), а водень окиснюється (H₂⁰ → H⁺¹). Не навпаки.

• Писати продуктом відновлення оксиду воднем гідроксид (Cu(OH)₂) чи кисень замість води. Правильний продукт — вода: CuO + H₂ → Cu + H₂O.

• Визначати окисник за наявністю Оксигену у формулі, а не за зміною ступеня окиснення. Окисник — той, чий ступінь окиснення знижується, незалежно від того, чи містить він Оксиген.

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.1) вимагає складати рівняння окисних властивостей кисню, сірки, вуглецю й хлору з воднем і металами та відновних властивостей водню й вуглецю з оксидами металічних елементів.

У демоваріанті 2026 року завдання 6 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал; тема 1.2) вимагає визначити окисник за зміною ступеня окиснення — це те саме вміння, яке ти відпрацьовуєш у цьому уроці.

Форма «реагенти → продукт» трапляється у завданнях на логічні пари (номери 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). У таких завданнях дано три реагенти (1–3) і п'ять можливих продуктів (А–Д). Дві букви серед відповідей зайві.

Стратегія виконання

Над символом неметалу в схемі реакції випиши ступінь окиснення до реакції (0) і після реакції. Якщо ступінь окиснення знизився — неметал є окисником. Якщо підвищився — неметал є відновником. Цей простий прийом дає змогу швидко й безпомилково визначити роль будь-якого неметалу в окисно-відновній реакції.

• З металами й воднем неметали (O₂, Cl₂, S, C) — окисники: 2Na + Cl₂ → 2NaCl, Fe + S → FeS, H₂ + Cl₂ → 2HCl.

• Водень і вуглець відновлюють метали з оксидів: CuO + H₂ → Cu + H₂O, 2CuO + C → 2Cu + CO₂.

• З киснем неметали (крім фтору) — відновники: S + O₂ → SO₂, C + O₂ → CO₂.

• Роль визначають за ступенем окиснення: знизився — окисник, підвищився — відновник.

• Хлор окиснює залізо до +3 (FeCl₃), сірка — до +2 (FeS).

• Фтор — завжди окисник; водень з активними металами — теж окисник (2Na + H₂ → 2NaH).