Окисно-відновні реакції: окисник і відновник
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Визначай окисник і відновник у будь-якій хімічній реакції, розпізнавай процеси окиснення й відновлення за зміною ступенів окиснення та прогнозуй окисно-відновну роль речовини за положенням елемента в періодичній системі.
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.
Схема | Зміна ступеня на 1 атом | Кількість атомів | Усього електронів |
|---|---|---|---|
S⁺⁶ → S⁻² | 8 (від +6 до −2) | 1 | 8e⁻ |
O₂⁰ → 2O⁻² | 2 (від 0 до −2) | 2 | 4e⁻ |
2Cl⁻¹ → Cl₂⁰ | 1 (від −1 до 0) | 2 | 2e⁻ |
Cr₂⁺⁶ → 2Cr⁺³ | 3 (від +6 до +3) | 2 | 6e⁻ |
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
Типові окисники | Типові відновники |
|---|---|
O₂, O₃ (кисень, озон) | Метали (Na, Fe, Zn, Al…) |
Cl₂, F₂ (галогени) | H₂ (водень) |
HNO₃ (нітратна кислота) | C (вуглець), CO (карбон(II) оксид) |
Концентрована H₂SO₄ | H₂S (гідроген сульфід) |
KMnO₄ (калій перманганат) | NH₃ (амоніак) |
H₂O₂ (гідроген пероксид) | HI, HBr (галогеноводні) |
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).
Схема | Характеристика |
|---|---|
1 S⁻² → S⁺⁴ | А окиснення, віддано 6e⁻ |
2 Mn⁺⁷ → Mn⁺² | Б відновлення, приєднано 5e⁻ |
3 2Cl⁻¹ → Cl₂⁰ | В окиснення, віддано 2e⁻ |
Г відновлення, приєднано 2e⁻ | |
Д окиснення, віддано 1e⁻ |
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).
Як не сплутати, що окисник відновлюється, а відновник окиснюється?
Найпростіший спосіб — запам'ятати, що назва ролі описує дію на іншу речовину. Окисник окиснює інші речовини (тобто забирає в них електрони), а сам при цьому відновлюється. Відновник відновлює інші речовини (віддає їм електрони), а сам окиснюється. Підказка: «відновник віддає» — обидва слова на «в». Або уяви, що окисник — «жадібний», він забирає електрони в інших і сам стає «менш зарядженим» (відновлюється).
Чому в реакції цинку з хлоридною кислотою окисником називають HCl, якщо Хлор не змінює ступеня окиснення?
Окисником називають усю речовину, що містить елемент, який відновлюється. У реакції Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ відновлюється Гідроген: H⁺¹ → H⁰. Саме Гідроген у складі HCl приєднує електрони. Хлор у HCl має ступінь −1 і не змінює його. Тому окисником-речовиною називають хлоридну кислоту HCl; частинками-окисниками в ній є катіони Гідрогену H⁺ (H⁺¹ → H⁰), а хлорид-йони ступеня окиснення не змінюють.
Чи може одна речовина бути і окисником, і відновником?
Так, і це називають окисно-відновною двоїстістю. Речовина виявляє таку властивість, коли елемент у ній перебуває в проміжному ступені окиснення. Наприклад, SO₂ (S⁺⁴) може бути відновником (2SO₂ + O₂ → 2SO₃) і окисником (SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O). Крім того, бувають внутрішньомолекулярні ОВР, де в одній речовині один елемент окиснюється, а інший відновлюється (2KClO₃ → 2KCl + 3O₂), або навіть той самий елемент і окиснюється, і відновлюється (2H₂O₂ → 2H₂O + O₂).
Чим ступінь окиснення відрізняється від заряду йона в записі?
Різниця в порядку знака й цифри. Ступінь окиснення записують знаком перед цифрою: Fe⁺³ (плюс три), S⁻² (мінус два). Заряд йона — цифрою перед знаком: Fe³⁺ (три плюс), S²⁻ (два мінус). Крім того, ступінь окиснення — це умовна величина, яку приписують атому, виходячи з припущення, що всі зв'язки в сполуці йонні. А заряд йона — реальний електричний заряд частинки. Наприклад, у FeCl₃ ступінь окиснення Феруму +3, а реальний заряд йона Fe³⁺ — 3+.
Чому метали бувають лише відновниками?
Метали в простих речовинах мають ступінь окиснення 0. У сполуках вони виявляють лише додатні ступені окиснення (Na⁺¹, Mg⁺², Fe⁺², Fe⁺³, Al⁺³ тощо). Від'ємних ступенів окиснення метали не мають (за рідкісними винятками в комплексних сполуках, які не входять до програми НМТ). Тому атом металу може лише віддавати електрони (ступінь окиснення зростає від 0 до додатного), а приймати електрони йому нікуди — немає від'ємного ступеня, до якого можна було б відновитися. Отже, метали — завжди відновники.
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.