Окисно-відновні реакції: окисник і відновник

У хімії існує величезна кількість реакцій. Одні з них відбуваються зі зміною ступенів окиснення елементів, інші — без такої зміни. Реакції, у яких ступені окиснення елементів змінюються внаслідок переходу електронів від одних атомів до інших, називають окисно-відновними (скорочено — ОВР).

Якщо жоден ступінь окиснення не змінився — реакція не є окисно-відновною. Наприклад, усі реакції обміну (AB + CD → AD + CB) належать до неокисно-відновних, бо елементи просто «міняються місцями», не змінюючи своїх ступенів окиснення.

Як перевірити, чи реакція окисно-відновна

Найнадійніший спосіб — надписати ступінь окиснення над кожним елементом у реагентах і продуктах і порівняти. Правила визначення ступеня окиснення ти вже знаєш з попереднього уроку. Розгляньмо два приклади.

Приклад А: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Надписуємо ступені окиснення: 2Fe⁰ + 3Cl₂⁰ → 2Fe⁺³Cl₃⁻¹. Ферум змінив ступінь окиснення з 0 на +3, Хлор — з 0 на −1. Ступені змінилися — це ОВР.

Приклад Б: FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃ + 3NaCl

Надписуємо: Fe⁺³Cl₃⁻¹ + 3Na⁺¹O⁻²H⁺¹ → Fe⁺³(O⁻²H⁺¹)₃ + 3Na⁺¹Cl⁻¹. Ступінь окиснення Феруму скрізь +3, Натрію +1, Хлору −1, Оксигену −2, Гідрогену +1. Жоден ступінь не змінився — це не ОВР.

Запис ступеня окиснення і заряду йона — не плутай!

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, який записують знаком перед цифрою: Fe⁺³, S⁻², Cl⁻¹. Заряд реального йона записують цифрою перед знаком: Fe³⁺, S²⁻, Cl⁻. Це різні речі: ступінь окиснення показує, скільки електронів умовно віддав або прийняв атом, а заряд йона — реальний електричний заряд частинки.

Важливо: у простій речовині (Fe, Cl₂, O₂, S₈) ступінь окиснення кожного атома дорівнює 0.

У кожній окисно-відновній реакції одночасно відбуваються два протилежні процеси: один атом віддає електрони, а інший їх приєднує. Розберімося з кожним процесом окремо.

Окиснення — віддача електронів

Окиснення — це процес віддачі електронів атомом, йоном або молекулою. Під час окиснення ступінь окиснення елемента зростає (стає більш додатним або менш від'ємним).

Розгляньмо приклади:

• Fe⁰ − 3e⁻ → Fe⁺³ — атом Феруму віддав 3 електрони, ступінь окиснення зріс з 0 до +3

• S⁻² − 6e⁻ → S⁺⁴ — Сульфур віддав 6 електронів, ступінь зріс з −2 до +4

• 2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰ — два хлорид-йони віддали по одному електрону (разом 2), ступінь зріс з −1 до 0

Відновлення — приєднання електронів

Відновлення — це процес приєднання електронів. Під час відновлення ступінь окиснення елемента знижується (стає менш додатним або більш від'ємним).

• Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻¹ — молекула хлору приєднала 2 електрони, ступінь знизився з 0 до −1

• Mn⁺⁷ + 5e⁻ → Mn⁺² — Манган приєднав 5 електронів, ступінь знизився з +7 до +2

• N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² — Нітроген приєднав 3 електрони, ступінь знизився з +5 до +2

Як рахувати число електронів

Число електронів, які віддає або приєднує елемент, дорівнює добутку зміни ступеня окиснення одного атома на кількість атомів цього елемента, що беруть участь у перетворенні.

Уяви шкалу ступенів окиснення від −4 до +8. Рух праворуч (у бік збільшення) — це окиснення, рух ліворуч (у бік зменшення) — відновлення.

Закон збереження електронів

Окиснення й відновлення завжди відбуваються одночасно й у рівній кількості електронів. Скільки електронів віддав відновник, стільки ж приєднав окисник. Це основа методу електронного балансу, який ти вивчиш далі.

Тепер, коли ти знаєш, що таке окиснення й відновлення, розберімося з головними «дійовими особами» будь-якої ОВР — окисником і відновником.

Хто є хто

Окисник — це частинка (атом, йон або молекула) або речовина, яка приєднує електрони. Під час реакції окисник сам відновлюється — його ступінь окиснення знижується.

Відновник — це частинка або речовина, яка віддає електрони. Під час реакції відновник сам окиснюється — його ступінь окиснення зростає.

Запам'ятай підказку: «відновник віддає» — обидва слова починаються на «в». А окисник — «приймає» (наче «окиснює інших, а сам відновлюється»).

Розбираємо на прикладах

Приклад 1: CuO + H₂ → Cu + H₂O

Надписуємо ступені: Cu⁺²O⁻² + H₂⁰ → Cu⁰ + H₂⁺¹O⁻². Купрум знизив ступінь з +2 до 0 — CuO є окисником. Гідроген підвищив ступінь з 0 до +1 — H₂ є відновником.

Приклад 2: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Fe⁰ + Cu⁺²SO₄ → Fe⁺²SO₄ + Cu⁰. Купрум (+2 → 0) відновлюється — CuSO₄ окисник. Ферум (0 → +2) окиснюється — Fe відновник.

Приклад 3: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C

2Mg⁰ + C⁺⁴O₂⁻² → 2Mg⁺²O⁻² + C⁰. Карбон (+4 → 0) відновлюється — CO₂ окисник. Магній (0 → +2) окиснюється — Mg відновник.

Важливе правило: окисником називають усю речовину

Окисником чи відновником називають не окремий атом, а всю речовину, що містить елемент, який змінює ступінь окиснення.

Розгляньмо реакцію: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Цинк (0 → +2) — відновник. А хто окисник? Гідроген у HCl має ступінь +1 і відновлюється до 0 (H₂). Отже, окисником є HCl, хоча Хлор у ній має найнижчий ступінь окиснення −1 і не змінює його. Окисник визначають за елементом, який відновлюється, а не за всіма елементами в речовині.

Ще один приклад: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Тут окисником є вода (H₂O), бо Гідроген у ній (+1) відновлюється до H₂⁰.

Типові окисники й відновники

Метали в простих речовинах завжди є лише відновниками, тому що в сполуках вони мають лише додатні ступені окиснення і не можуть приєднувати електрони, щоб стати ще більш від'ємними.

Ступінь окиснення елемента в речовині — це ключ до прогнозування її окисно-відновної ролі. Залежно від того, чи перебуває елемент у вищому, нижчому чи проміжному ступені окиснення, речовина може бути лише окисником, лише відновником або виявляти окисно-відновну двоїстість.

Вищий ступінь окиснення — лише окисник

Якщо елемент уже перебуває у своєму найвищому ступені окиснення, він не може віддавати електрони (нема куди підвищувати ступінь), а може лише приймати їх. Така речовина — лише окисник.

• S⁺⁶ у H₂SO₄ та SO₃ — лише окисник

• N⁺⁵ у HNO₃ — лише окисник

• Mn⁺⁷ у KMnO₄ — лише окисник

• Cr⁺⁶ у K₂Cr₂O₇ — лише окисник

Нижчий ступінь окиснення — лише відновник

Якщо елемент уже перебуває у своєму найнижчому ступені окиснення, він не може приймати електрони (нема куди знижувати ступінь), а може лише віддавати. Така речовина — лише відновник.

• S⁻² у H₂S — лише відновник

• N⁻³ у NH₃ — лише відновник

• Cl⁻¹ у HCl — лише відновник (хоча HCl може бути окисником за рахунок H⁺¹)

• O⁻² у H₂O — лише відновник (але H₂O може бути окисником за рахунок H⁺¹)

Увага! Коли ми говоримо «речовина — лише відновник», маємо на увазі саме цей елемент. Якщо в речовині є інший елемент у вищому ступені (наприклад, H⁺¹ у HCl), вона може бути окисником за рахунок нього.

Проміжний ступінь — окисно-відновна двоїстість

Якщо елемент перебуває в проміжному ступені окиснення (не найвищому й не найнижчому), він може і віддавати, і приймати електрони. Така речовина виявляє окисно-відновну двоїстість — її роль залежить від партнера по реакції.

Найпоказовіший приклад — сульфур(IV) оксид SO₂, де Сульфур має ступінь +4:

• Як відновник: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (S⁺⁴ → S⁺⁶, віддає електрони)

• Як окисник: SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O (S⁺⁴ → S⁰, приймає електрони)

Інший приклад — H₂O₂, де Оксиген має проміжний ступінь −1:

• 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ — тут O⁻¹ одночасно і окиснюється (до O⁰), і відновлюється (до O⁻²)

Роль залежить від партнера

Одна й та сама речовина може бути окисником в одній реакції й відновником в іншій. Розгляньмо N₂:

• З воднем: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — N₂ окисник (N⁰ → N⁻³)

• З киснем: N₂ + O₂ → 2NO — N₂ відновник (N⁰ → N⁺²)

Окисник і відновник в одній речовині

Бувають випадки, коли окисник і відновник містяться в одній молекулі. Це називають внутрішньомолекулярною ОВР.

• 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂: Cl⁺⁵ → Cl⁻¹ (відновлюється), O⁻² → O⁰ (окиснюється)

• 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂: той самий елемент Оксиген і окиснюється (O⁻¹ → O⁰), і відновлюється (O⁻¹ → O⁻²)

Розгляньмо типові завдання, які трапляються на НМТ з теми окисно-відновних реакцій. Кожен приклад містить покроковий розв'язок.

Приклад 1. Сульфур(IV) оксид як відновник

Завдання: У якій реакції сульфур(IV) оксид є відновником?

• А) SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O

• Б) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃

• В) SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

• Г) SO₂ + CaO → CaSO₃

Розв'язання: Відновник — це речовина, у якій елемент віддає електрони, тобто його ступінь окиснення зростає. У SO₂ Сульфур має ступінь +4. Перевіряємо кожну реакцію:

• А) S⁺⁴ → S⁰ — ступінь знижується, SO₂ — окисник

• Б) S⁺⁴ → S⁺⁶ — ступінь зростає, SO₂ — відновник. Це правильна відповідь.

• В) ступені окиснення не змінюються — не ОВР

• Г) ступені окиснення не змінюються — не ОВР

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: Варіант А — SO₂ виступає окисником (S⁺⁴ → S⁰). Варіант В — взаємодія кислотного оксиду з лугом (утворюються сіль і вода, тож це не сполучення), варіант Г — реакція сполучення. В обох ступені окиснення не змінюються, тому SO₂ не виявляє окисно-відновних властивостей.

Приклад 2. Схема перетворення — процес і число електронів

Завдання: Установіть відповідність між схемою перетворення (1–3) і характеристикою процесу та числом електронів (А–Д).

Розв'язання:

• 1. S⁻² → S⁺⁴: зміна ступеня = 6 (від −2 до +4). Ступінь зростає — це окиснення, віддано 6e⁻. Відповідає А.

• 2. Mn⁺⁷ → Mn⁺²: зміна ступеня = 5 (від +7 до +2). Ступінь знижується — це відновлення, приєднано 5e⁻. Відповідає Б.

• 3. 2Cl⁻¹ → Cl₂⁰: два атоми, кожен змінює ступінь на 1 (від −1 до 0), разом 2e⁻. Ступінь зростає — окиснення, віддано 2e⁻. Відповідає В.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В.

Чому інші варіанти неправильні: Г (відновлення, 2e⁻) підійшло б для Cl₂⁰ → 2Cl⁻¹, а не навпаки. Д (окиснення, 1e⁻) — помилка, бо не враховано, що атомів два.

Приклад 3. Яка частинка — лише відновник?

Завдання: Яка частинка може бути лише відновником?

• А) S²⁻

• Б) SO₃²⁻

• В) S⁰

• Г) SO₄²⁻

Розв'язання: Лише відновником може бути частинка, де елемент перебуває в найнижчому ступені окиснення. Визначаємо ступінь Сульфуру в кожній частинці:

• S²⁻ — ступінь −2, це найнижчий ступінь Сульфуру. Може лише віддавати електрони — лише відновник. Правильна відповідь.

• SO₃²⁻ — Сульфіт-йон, S⁺⁴ (проміжний ступінь) — може бути і окисником, і відновником.

• S⁰ — проста речовина, проміжний ступінь — може і приймати, і віддавати електрони.

• SO₄²⁻ — Сульфат-йон, S⁺⁶ (найвищий ступінь) — лише окисник.

Відповідь: А.

Приклад 4. Вода як окисник

Завдання: Укажіть реакцію, у якій вода є окисником.

• А) CaO + H₂O → Ca(OH)₂

• Б) 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂

• В) SO₃ + H₂O → H₂SO₄

• Г) 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂

Розв'язання: Вода буде окисником, якщо Гідроген у ній (H⁺¹) приєднує електрони й відновлюється до H₂⁰.

• А) CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — ступені окиснення не змінюються, не ОВР.

• Б) 2K⁰ + 2H₂⁺¹O → 2K⁺¹OH + H₂⁰ — Гідроген (+1 → 0) відновлюється, вода — окисник. Правильна відповідь.

• В) SO₃ + H₂O → H₂SO₄ — ступені окиснення не змінюються, не ОВР.

• Г) 2F₂⁰ + 2H₂O⁻² → 4HF + O₂⁰ — Оксиген (−2 → 0) окиснюється, вода — відновник, а не окисник.

Відповідь: Б.

Ось типові помилки в цій темі — і як їх уникнути.

• Плутають «окисник відновлюється» з «окисник окиснюється». Назва ролі (окисник) протилежна назві процесу, що з нею відбувається. Окисник окиснює інші речовини, а сам при цьому відновлюється. Запам'ятай: окисник — «окиснювач інших», а сам «відновлюється». Відновник — «відновлювач інших», а сам «окиснюється».

• Називають окисником речовину, у якій ступінь окиснення елемента зростає. Це помилка: якщо ступінь зростає — елемент окиснюється, а отже, речовина є відновником. Окисник — це той, чий ступінь знижується.

• Вважають, що речовина з елементом у нижчому ступені окиснення не може бути окисником. Наприклад, HCl містить Хлор у ступені −1 (найнижчому), але за рахунок Гідрогену H⁺¹ вона окиснює цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Окисником є HCl, бо H⁺¹ → H⁰.

• Рахують електрони на один атом, забуваючи про число атомів. Наприклад, у схемі 2Cl⁻¹ → Cl₂⁰ зміна ступеня одного атома — 1, але атомів два, тому загальне число електронів — 2. Аналогічно O₂⁰ → 2O⁻² — це 4e⁻, а не 2e⁻.

• Плутають запис ступеня окиснення із зарядом йона. Ступінь окиснення: Fe⁺³, S⁻² (знак перед цифрою). Заряд йона: Fe³⁺, S²⁻ (цифра перед знаком). Це різні позначення, і на НМТ важливо не переплутати їх.

• Шукають окисник і відновник у реакціях обміну. У реакціях обміну (наприклад, NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl) ступені окиснення не змінюються, тому там немає ні окисника, ні відновника. Це не ОВР.

Тема окисно-відновних реакцій входить до розділу 1.2 програми НМТ з хімії. Від тебе вимагають визначати окисник, відновник, процеси окиснення й відновлення за зміною ступенів окиснення. Обчислювати ступінь окиснення вимагає тема 1.3, але на практиці ці вміння тісно пов'язані.

Формати завдань

З цієї теми можливі такі типи завдань:

• Завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (1 бал). Наприклад, у демоваріанті НМТ-2026 це завдання № 6: визначити окисник в окисно-відновних реакціях за зміною ступеня окиснення.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (до 3 балів). Це завдання № 19–20, кожна правильна пара дає 1 бал. У демоваріанті 2026 року вони стосувалися інших тем (якісних реакцій органічних сполук і гідролізу солей), але в такому форматі можна перевірити й ОВР: наприклад, відповідність між схемою перетворення та процесом і числом електронів або між реакцією та роллю речовини.

Довідкові матеріали

У довідкових матеріалах НМТ (їх надають в електронній формі) є періодична система. У її короткій формі є рядки «Вищі оксиди» й «Леткі сполуки з Гідрогеном», які підказують вищий і нижчий ступені окиснення неметалічного елемента. Наприклад, для Сульфуру вищий оксид — SO₃ (S⁺⁶), летка сполука з Гідрогеном — H₂S (S⁻²). Це допомагає визначити, чи може елемент бути лише окисником, лише відновником чи виявляти двоїстість.

Стратегія виконання

Найважливіша стратегія — у чернетці виписати ступені окиснення над кожним елементом у рівнянні. Не роби цього в думці — письмова фіксація зменшує ризик помилки. Потім порівняй ступені в реагентах і продуктах: знайди, які елементи змінили ступінь, визнач, чи зріс він (окиснення) чи знизився (відновлення), і назви речовину-окисник (та, що містить елемент, який відновлюється) та речовину-відновник (та, що містить елемент, який окиснюється).

• Окисно-відновна реакція (ОВР) — реакція, у якій змінюються ступені окиснення елементів унаслідок переходу електронів.

• Окиснення — віддача електронів, ступінь окиснення зростає. Відновлення — приєднання електронів, ступінь окиснення знижується.

• Окисник приєднує електрони й сам відновлюється (ступінь знижується). Відновник віддає електрони й сам окиснюється (ступінь зростає). Підказка: «відновник віддає».

• Вищий ступінь окиснення — речовина може бути лише окисником. Нижчий ступінь — лише відновником. Проміжний ступінь — окисно-відновна двоїстість (обидві ролі).

• Окисником чи відновником називають усю речовину, а не окремий атом. Наприклад, у Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ окисник — HCl (за рахунок H⁺¹), хоча Хлор має нижчий ступінь.

• Роль однієї й тієї самої речовини залежить від партнера: N₂, SO₂, H₂O можуть бути і окисниками, і відновниками в різних реакціях.

• Окисник і відновник можуть міститися в одній речовині (внутрішньомолекулярна ОВР): 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂, 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.

• Метали в простих речовинах — лише відновники, бо не мають від'ємних ступенів окиснення.