Electrochemistry · ⁨Электрохимия⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · Topic 6 · ⁨Тема 6⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

6.1

Oxidation number · ⁨Степень окисления⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

calculate oxidation numbers of elements in compounds and ions
use changes in oxidation numbers to help balance chemical equations
explain and use the terms redox, oxidation, reduction and disproportionation in terms of electron transfer and changes in oxidation number
explain and use the terms oxidising agent and reducing agent
use a Roman numeral to indicate the magnitude of the oxidation number of an element

Русский

вычислять степени окисления элементов в соединениях и ионах
использовать изменения степеней окисления для уравнивания химических уравнений
объяснять и использовать термины окислительно-восстановительная реакция, окисление, восстановление и диспропорционирование с точки зрения переноса электронов и изменения степени окисления
объяснять и использовать термины окислитель и восстановитель
использовать римскую цифру для указания величины степени окисления элемента

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The oxidation number 氧化数 (also called the oxidation state) shows how many electrons 电子 an atom has lost or gained compared with the free element. You work it out using simple rules:

an uncombined element has an oxidation number of $0$.
a simple ion has an oxidation number equal to its charge (so $\text{Mg}^{2+}$ is $+2$).
Group 1 is always $+1$, Group 2 is always $+2$.
hydrogen is $+1$ (but $-1$ in metal hydrides).
oxygen is $-2$ (but $-1$ in peroxides).
fluorine is always $-1$.
the oxidation numbers in a neutral compound add up to $0$; in an ion they add up to the charge.

A Roman numeral shows the size of the oxidation number of an element, for example iron(II) means $+2$ and manganese(VII) in $\text{KMnO}_4$ means $+7$.

Worked example. Find the oxidation number of sulfur in the sulfate ion, $\text{SO}_4^{2-}$.

Each oxygen is $-2$, so the four oxygens give $4 \times (-2) = -8$. In an ion the numbers add up to the charge, here $-2$. If sulfur is $x$:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

Worked example. Find the oxidation number of nitrogen in the nitrate ion, $\text{NO}_3^-$.

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$

Русский

Степень окисления (также называемая валентностью) показывает, сколько электронов атом потерял или приобрел по сравнению со свободным элементом. Вычисляется с помощью простых правил:

несоединенный элемент имеет степень окисления $0$.
простой ион имеет степень окисления, равную его заряду (поэтому $\text{Mg}^{2+}$ равен $+2$).
Элементы группы 1 всегда имеют степень окисления $+1$, группы 2 всегда $+2$.
Водород имеет степень окисления $+1$ (но $-1$ в гидридах металлов).
кислород имеет степень окисления $-2$ (но $-1$ в пероксидах).
фтор всегда имеет степень окисления $-1$.
степени окисления в нейтральном соединении в сумме дают $0$; в ионе они в сумме дают заряд.

Римская цифра показывает степень окисления элемента, например, железо(II) означает $+2$, а марганец(VII) в $\text{KMnO}_4$ соответствует степени окисления $+7$.

Вычисление степени окисления марганца в KMnO4: калий имеет +1, четыре атома кислорода дают -8, и поскольку их сумма равна нулю, марганец должен быть +7 — Присвоение степени окисления: зафиксируйте известные атомы (K = +1, O = −2 каждый), затем используйте правило «сумма равна нулю», чтобы найти неизвестное (Mn = +7)

Разобранный пример. Найдите степень окисления серы в сульфат-ионе, $\text{SO}_4^{2-}$.

Каждый кислород равен $-2$, поэтому четыре атома кислорода дают $4 \times (-2) = -8$. В ионе числа складываются до заряда, здесь это $-2$. Если сера имеет $x$:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

Разобранный пример. Найдите степень окисления азота в нитрат-ионе, $\text{NO}_3^-$.

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/	степени окисления
electron/ɪˈlektrɒn/	электрон
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления

6.1

Redox in terms of electrons · ⁨Окислительно-восстановительные реакции с точки зрения электронов⁩

English

A redox 氧化还原 reaction is one where electrons move from one species to another.

oxidation 氧化 is the loss of electrons. The oxidation number goes up.
reduction 还原 is the gain of electrons. The oxidation number goes down.

A useful memory aid is OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.

Oxidation and reduction always happen together, because the electrons lost by one species are gained by another. This electron transfer 电子转移 is why we call it a redox reaction.

Русский

Несколько батареек AA — Батарейка использует окислительно-восстановительные реакции для перемещения электронов по цепи.

Окислительно-восстановительная (redox) реакция — это реакция, в которой электроны переходят от одного вида к другому.

окисление — это потеря электронов. Степень окисления повышается.
восстановление — это приобретение электронов. Степень окисления понижается.

Полезная ассоциация — OIL RIG: Oxidation Is Loss (Окисление — это Потеря), Reduction Is Gain (Восстановление — это Приобретение).

Окисление и восстановление всегда происходят вместе, потому что электроны, потерянные одним видом, приобретаются другим. Именно этот перенос электронов делает реакцию окислительно-восстановительной.

Цинк теряет два электрона, превращаясь в Zn2+, в то время как ионы меди принимают их, превращаясь в медь; стрелка показывает перенос электронов — Redox — это перенос электронов: восстановитель теряет электроны (окисляется, число растет); окислитель принимает их (восстанавливается, число падает)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Redox is electron transfer · ⁨Окислительно-восстановительные реакции — это перенос электронов⁩

Step through it: the metal loses (is oxidised) and the non-metal gains (is reduced) — oxidation number rises for one, falls for the other. · ⁨Разберем по шагам: металл теряет электроны (окисляется), а неметалл принимает (восстанавливается) — степень окисления возрастает у одного и снижается у другого.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
redox/rɪˈdɒks/	окислительно-восстановительная реакция (редокс)
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
electron transfer/ɪˈlektrɒn ˈtrænsfɜː/	передача электронов

6.1

Using oxidation numbers to balance equations · ⁨Использование степеней окисления для уравнивания уравнений⁩

English

Changes in oxidation number help you balance a redox equation:

find the element whose oxidation number rises (it is oxidised) and the one whose number falls (it is reduced).
the total rise must equal the total fall, because every electron lost is gained somewhere.
choose the ratio of the two species so the rise and fall match, then balance the rest of the equation.

Worked example. Balance the reaction of manganate(VII) with iron(II) in acid: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

Manganese falls from $+7$ to $+2$ (a fall of $5$); iron rises from $+2$ to $+3$ (a rise of $1$). To make the total fall equal the total rise, take $5$ iron ions for every $1$ manganate ion. Then balance oxygen with water ($4\,\text{H}_2\text{O}$) and hydrogen with $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$

Русский

Изменения степени окисления помогают вам уравнять окислительно-восстановительное уравнение:

найдите элемент, чья степень окисления возрастает (он окисляется), и тот, чья степень падает (он восстанавливается).
общее возрастание должно равняться общему падению, так как каждый потерянный электрон где-то принимается.
выберите соотношение двух видов, чтобы возрастание и падение совпадали, затем уравняйте остальную часть уравнения.

Железо повышает степень с +2 до +3 на единицу, а марганец снижает с +7 до +2 на пять единиц, поэтому пять атомов железа уравновешивают один перманганат — Уравнивание окислительно-восстановительного уравнения: общее возрастание степени окисления должно равняться общему падению, что фиксирует соотношение

Разобранный пример. Уравняйте реакцию перманганата(VII) с железом(II) в кислой среде: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

Марганец понижается с $+7$ до $+2$ (на $5$); железо повышается с $+2$ до $+3$ (на $1$). Чтобы общее снижение равнялось общему повышению, берите $5$ ионов железа на каждый $1$ перманганатный ион. Затем уравняйте кислород водой ($4\,\text{H}_2\text{O}$) и водород $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$

6.1

Disproportionation · ⁨Диспропорционирование⁩

English

Disproportionation 歧化 is a special redox reaction in which the same element is both oxidised and reduced at the same time. For example, when chlorine reacts with cold water, some chlorine atoms are reduced (to $\text{Cl}^-$) and others are oxidised (to $\text{ClO}^-$).

Русский

Диспропорционирование — это особый тип окислительно-восстановительной реакции, при котором один и тот же элемент одновременно и окисляется, и восстанавливается. Например, при реакции хлора с холодной водой часть атомов хлора восстанавливается (до $\text{Cl}^-$), а другая часть окисляется (до $\text{ClO}^-$).

Линия степеней окисления, показывающая хлор на уровне 0, поднимающийся до +1 в ClO- и опускающийся до -1 в Cl- — Диспропорционирование: хлор ($0$) одновременно окисляется до ClO$^-$ ($+1$) и восстанавливается до Cl$^-$ ($-1$)

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/	диспропорционирование
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/	окислитель
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/	восстановитель

6.1

Oxidising and reducing agents · ⁨Окислители и восстановители⁩

English

an oxidising agent 氧化剂 takes electrons away from another species. In doing so, it is itself reduced.
a reducing agent 还原剂 gives electrons to another species. In doing so, it is itself oxidised.

So in any redox reaction, the oxidising agent causes the oxidation of the other species, while the reducing agent causes the reduction.

Русский

Ржавчина на поверхности железа — Ржавление — это окисление железа кислородом.

окислитель забирает электроны у другого вида. При этом он сам восстанавливается.
восстановитель отдает электроны другому виду. При этом он сам окисляется.

Таким образом, в любой окислительно-восстановительной реакции окислитель вызывает окисление другого вида, а восстановитель вызывает восстановление.

6.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Apply the oxidation-number rules in order: O is $-2$ except in peroxides ($-1$); H is $+1$ except in metal hydrides ($-1$).
In a redox equation the total increase equals the total decrease in oxidation number — use this to fix the ratio, then balance O with $\text{H}_2\text{O}$ and H with $\text{H}^+$.
An oxidising agent is itself reduced; name both what is oxidised/reduced and the agent for full marks.
Disproportionation is the same element both oxidised and reduced — show both oxidation-number changes.

Русский

Применяйте правила степеней окисления по порядку: O равен $-2$ кроме пероксидов ($-1$); H равен $+1$ кроме гидридов металлов ($-1$).
В окислительно-восстановительном уравнении общий прирост равен общему уменьшению степени окисления — используйте это для фиксации соотношения, затем уравнивайте O с помощью $\text{H}_2\text{O}$ и H с помощью $\text{H}^+$.
Окислитель сам восстанавливается; для получения полного балла назовите и то, что окисляется/восстанавливается, и самого агента.
Диспропорционирование — это когда один и тот же элемент и окисляется, и восстанавливается — покажите оба изменения степени окисления.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩⁩