Типы ОВР: межмолекулярные и внутримолекулярные реакции

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) принято делить на четыре типа не по формуле, а по тому, где именно расположены атомы окислителя и восстановителя относительно друг друга: в разных веществах, в одной молекуле, в одном и том же атоме одного элемента или, наоборот, в атомах одного элемента с разными исходными степенями окисления. Такая классификация не абстрактная придирка - от неё зависит, как вы будете подбирать коэффициенты и объяснять механизм реакции. Ниже разберём все четыре типа на классических примерах и посчитаем электронный баланс для каждого. Чтобы сразу увидеть, как меняются степени окисления и коэффициенты внутри одного типа, поиграйте с калькулятором ниже - переключите тип реакции и подвигайте число передаваемых электронов.

Что вообще классифицируют в ОВР

В любой окислительно-восстановительной реакции есть два процесса, идущих одновременно: окисление (потеря электронов, степень окисления растёт) и восстановление (приобретение электронов, степень окисления падает). Атом, который отдаёт электроны, - восстановитель, атом, который их принимает, - окислитель. Классификация ОВР по типам отвечает на один вопрос: в каком структурном отношении находятся друг к другу атом-окислитель и атом-восстановитель? Ответов четыре, и они образуют полный набор случаев.

Межмолекулярные ОВР

Самый частый и интуитивно понятный тип: окислитель и восстановитель - атомы разных элементов, входящие в состав разных веществ (разных молекул или ионов). Классический пример - окисление сульфита натрия перманганатом калия в кислой среде:

$5\text{Na}_2\text{SO}_3 + 2\text{KMnO}_4 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \to 5\text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{MnSO}_4 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 3\text{H}_2\text{O}.$

Здесь марганец в перманганат-ионе понижает степень окисления с $+7$ до $+2$ (принимает 5 электронов на атом) - это окислитель. Сера в сульфит-ионе повышает степень окисления с $+4$ до $+6$ (отдаёт 2 электрона на атом) - это восстановитель. Марганец и сера находятся в разных исходных веществах, поэтому реакция межмолекулярная. Подавляющее большинство школьных и вузовских задач на ОВР - именно этот тип: две разные соли, кислота и щёлочь, металл и неметалл.

Рассчитать для своей задачи

Внутримолекулярные ОВР

Здесь окислитель и восстановитель - тоже атомы разных элементов, но они находятся в одной и той же молекуле (или ионе). Классический пример - термическое разложение бертолетовой соли:

$2\text{KClO}_3 \xrightarrow{t,\ \text{кат}} 2\text{KCl} + 3\text{O}_2.$

В хлорат-ионе $\text{ClO}_3^-$ хлор находится в степени окисления $+5$ и понижает её до $-1$ в хлориде - это окислитель (принимает 6 электронов на атом). Кислород в том же ионе находится в степени окисления $-2$ и повышает её до $0$ в свободном $\text{O}_2$ - это восстановитель (отдаёт 2 электрона на атом). Оба атома - и хлор, и кислород - сидели в одном и том же хлорат-ионе до реакции, поэтому тип внутримолекулярный. Такие реакции типичны для термического разложения солей кислородсодержащих кислот (нитратов, хлоратов, перманганатов, где распадается сам анион).

Диспропорционирование: один элемент раздваивается

Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) - особый случай, когда окислитель и восстановитель - это атомы одного и того же элемента в одной и той же исходной степени окисления, которые расходятся в две разные стороны: часть атомов окисляется, часть восстанавливается. Классика - взаимодействие хлора со щёлочью на холоде:

$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \to \text{NaCl} + \text{NaOCl} + \text{H}_2\text{O}.$

Хлор в молекуле $\text{Cl}_2$ имеет степень окисления $0$. Половина атомов хлора восстанавливается до $-1$ (переходит в хлорид-ион, принимая 1 электрон), другая половина окисляется до $+1$ (переходит в гипохлорит-ион, отдавая 1 электрон). Один и тот же элемент в одинаковой начальной степени окисления одновременно выступает и окислителем, и восстановителем - это и есть диспропорционирование. Похожая картина у реакций диспропорционирования с другими элементами: азотом, фосфором, серой.

Рассчитать для своей задачи

Конпропорционирование: обратный процесс

Конпропорционирование (репропорционирование, компропорционирование) - процесс, обратный диспропорционированию: атомы одного элемента в двух разных степенях окисления сходятся в одну общую степень окисления. Пример - реакция сероводорода с сернистым газом:

$2\text{H}_2\text{S} + \text{SO}_2 \to 3\text{S} + 2\text{H}_2\text{O}.$

Сера в сероводороде имеет степень окисления $-2$ и повышает её до $0$ (отдаёт 2 электрона на атом) - восстановитель. Сера в сернистом газе имеет степень окисления $+4$ и понижает её до $0$ (принимает 4 электрона на атом) - окислитель. Обе исходные степени окисления серы разные ($-2$ и $+4$), а итоговая - одна и та же ($0$). Именно направление «два значения сходятся в одно» отличает конпропорционирование от диспропорционирования, где, наоборот, одно исходное значение расходится в два.

Как быстро определить тип по уравнению

Чтобы classифицировать конкретную реакцию, задайте себе три вопроса по порядку:

1. Меняют ли степень окисления атомы одного и того же элемента или разных? Если разных - смотрим, в одном они веществе или в разных (межмолекулярная / внутримолекулярная). Если одного и того же - идём дальше.
2. У атомов одного элемента одна исходная степень окисления или разные? Одна исходная, две итоговые - диспропорционирование. Две исходные, одна итоговая - конпропорционирование.
3. Есть ли элементы, которые вообще не меняют степень окисления? Такие атомы не участвуют в классификации - их можно сразу отбросить и сосредоточиться только на окислителе и восстановителе.

Электронный баланс считается одинаково для всех четырёх типов: находим наименьшее общее кратное числа отданных и принятых электронов, делим его на каждое значение - получаем коэффициенты перед восстановителем и окислителем.

Электронный баланс на конкретном числовом примере

Возьмём межмолекулярную реакцию сульфита натрия с перманганатом калия и распишем баланс по шагам - так же считает калькулятор выше.

Марганец меняет степень окисления с $+7$ до $+2$:

$\text{Mn}^{+7} + 5e^- \to \text{Mn}^{+2},$

то есть на каждый атом марганца приходится 5 принятых электронов. Сера меняет степень окисления с $+4$ до $+6$:

$\text{S}^{+4} - 2e^- \to \text{S}^{+6},$

то есть на каждый атом серы приходится 2 отданных электрона. Чтобы число отданных и принятых электронов совпало, находим наименьшее общее кратное чисел 5 и 2 - это 10. Делим 10 на 5, получаем коэффициент 2 для марганца; делим 10 на 2, получаем коэффициент 5 для серы:

$2\,\text{Mn}^{+7}(+5e^-) \;\;\text{и}\;\; 5\,\text{S}^{+4}(-2e^-) \;\Rightarrow\; 10e^- \text{ принято} = 10e^- \text{ отдано}.$

Отсюда коэффициенты перед перманганатом калия и сульфитом натрия - 2 и 5 соответственно, что и видно в итоговом уравнении реакции выше. Такой же порядок действий работает для любого из четырёх типов: внутримолекулярной реакции, диспропорционирования и конпропорционирования - меняется только то, откуда берутся два значения степени окисления (из разных веществ, из одной молекулы или из одного элемента).

Частые ошибки

• Путают межмолекулярную и внутримолекулярную реакции. Критерий не «сколько веществ в уравнении», а «в каком веществе исходно сидели окислитель и восстановитель» - если в одном и том же анионе или молекуле, это внутримолекулярная реакция, даже если продуктов несколько.
• Не отличают диспропорционирование от конпропорционирования. Смотрите на направление: расхождение одной степени окисления в две - диспропорционирование, схождение двух степеней окисления в одну - конпропорционирование.
• Забывают проверить, что степень окисления вообще меняется. Не каждая реакция с несколькими степенями окисления одного элемента в уравнении - диспропорционирование; иногда элемент просто переходит из одного соединения в другое без изменения степени окисления.
• Считают коэффициенты без электронного баланса. Подбор коэффициентов «на глаз» часто даёт формально уравновешенное по атомам, но неверное по электронам уравнение - метод электронного баланса обязателен.
• Путают окислитель и восстановитель местами. Окислитель сам восстанавливается (принимает электроны, степень окисления падает), восстановитель сам окисляется (отдаёт электроны, степень окисления растёт) - их названия описывают действие на партнёра, а не на себя.

FAQ

Чем межмолекулярная ОВР отличается от внутримолекулярной? В межмолекулярной окислитель и восстановитель - атомы разных элементов, входящие в состав разных исходных веществ. Во внутримолекулярной - атомы разных элементов, но в составе одной и той же молекулы или иона (типично для разложения солей).

Что такое диспропорционирование простыми словами? Это реакция, в которой атомы одного элемента с одной и той же начальной степенью окисления одновременно и окисляются, и восстанавливаются, расходясь в два разных продукта - как хлор в реакции с щёлочью.

Чем конпропорционирование отличается от диспропорционирования? Диспропорционирование - это расхождение: одна степень окисления даёт две. Конпропорционирование - это схождение: две разные степени окисления одного элемента объединяются в одну общую, как в реакции сероводорода с сернистым газом.

Коротко

ОВР делят на четыре типа по расположению окислителя и восстановителя: межмолекулярные (разные вещества), внутримолекулярные (одно вещество, разные элементы), диспропорционирование (один элемент, одна степень окисления расходится в две) и конпропорционирование (один элемент, две степени окисления сходятся в одну). Во всех случаях электронный баланс считается одинаково: НОК числа отданных и принятых электронов даёт коэффициенты перед восстановителем и окислителем.