Данный метод основан на представлении о степени окисления атома в веществе. Степень окисления - это условный заряд атома, найденный исходя из предположения, что все связи в веществе чисто ионные. Степень окисления обозначается арабской цифрой со знаком (+) или (-).
1. Написать схему реакции. Схема реакции - это условное химическое выражение, в котором слева указаны исходные вещества, справа - известные продукты реакции. Между правой и левой частями схемы ставится знак “стрелка”. Схема может быть полной (известны все продукты) и неполной (известна только часть продуктов). Метод электронного баланса позволяет работать только с полными схемами. Единственным веществом, которое можно не указывать в схеме является вода.
Пример: Cu + HNO 3 ® Cu(NO 3) 2 + NO + . . . .
(многоточие означает, что в правой и левой части окончательного уравнения может появиться вода).
2. Над каждым атомом в схеме поставить степени окисления:
3. Найти атомы, изменившие свои степени окисления. Составить для них уравнения электронных переходов:
Cu 0 + H +1 N +5 O ® Cu +2 (N +5 O ) 2 + N +2 O -2 + . . . .
Cu 0 - 2 = Cu +2 ,
N +5 + 3 = N +2 .
4. Сделать электронный баланс (подобрать коэффициенты, на которые нужно умножить уравнения электронных переходов, чтобы число электронов, ушедших от восстановителей, было равно количеству электронов, принятых окислителем).
Cu 0 - 2 = Cu +2 3
N +5 + 3 = N +2 2
Из электронного баланса следует, что в левой части полученного уравнения на каждые 3 атома восстановителя (Cu +2) должно приходиться 2 атома окислителя (N +5). В правой части будущего уравнения на 3 атома Cu +2 должно приходиться 2 атома N +2 .
5. В схеме реакции поставить первые коэффициенты в соответствии с электронным балансом (там, где это возможно!).
3Cu + HNO 3 ® 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + . . . .
Обратите внимание: из четырех теоретически возможных коэффициентов указаны только три. Перед азотной кислотой коэффициент пока неизвестен, т.к. N +5 ведет себя сложным образом: с одной стороны принимает участие в ОВР (это учтено в электронном балансе), а с другой - переходит без изменений в нитрат меди (Сu(NO 3) 2) (это не учтено в электронном балансе, т.к. при этом степень окисления азота не меняется).
6. Уравнять по всем атомам, кроме водорода и кислорода. При этом произвольное изменение коэффициентов, полученных из электронного баланса недопустимо.
3Cu + 8 HNO 3 ® 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + . . . .
7. Уравнять по водороду. Это делается только одним способом: добавлением соответствующего числа молекул воды в ту часть схемы, где водорода не хватает. В данном примере слева 8 атомов водорода, а справа - нуль. Молекула Н 2 О содержит 2 атома водорода:
3Cu + 8HNO 3 ® 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
8. Полученное выражение должно быть уравнением ОВР, если до того не было допущено ошибки. Необходимо проверить данное уравнение по кислороду. Если справа и слева количество атомов кислорода одинаково, вместо “стрелки” ставим знак “равно” (это уравнение). Если по кислороду не сошлось, то следует повторить уравнивание, начиная с пункта 1.
Окончательное уравнение:
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
Спецификой многих ОВР является то, что при составлении их уравнений подбор коэффициентов вызывает затруднение. Для облегчения подбора коэффициентов чаще всего используют метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций). Рассмотрим применение каждого из этих методов на примерах.
Метод электронного баланса
В его основе лежит следующее правило : общее число электронов, отдаваемое атомами-восстановителями, должно совпадать с общим числом электронов, которые принимают атомы-окислители .
В качестве примера составления ОВР рассмотрим процесс взаимодействия сульфита натрия с перманганатом калия в кислой среде.
- Сначала необходимо составить схему реакции: записать вещества в начале и конце реакции, учитывая, что в кислой среде MnO 4 — восстанавливается до Mn 2+ ():
- Далее определим какие из соединений являются ; найдем их степень окисления в начале и конце реакции:
Na 2 S +4 O 3 + KMn +7 O 4 + H 2 SO 4 = Na 2 S +6 O 4 + Mn +2 SO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
Из приведенной схемы понятно, что в процессе реакции происходит увеличение степени окисления серы с +4 до +6, таким образом, S +4 отдает 2 электрона и является восстановителем . Степень окисления марганца уменьшилась от +7 до +2, т.е. Mn +7 принимает 5 электронов и является окислителем .
- Составим электронные уравнения и найдем коэффициенты при окислителе и восстановителе .
S +4 – 2e — = S +6 ¦ 5
Mn +7 +5e — = Mn +2 ¦ 2
Чтобы число электронов, отданных восстановителем, было равно числу электронов, принятых восстановителем, необходимо:
- Число электронов, отданных восстановителем, поставить коэффициентом перед окислителем.
- Число электронов, принятых окислителем, поставить коэффициентом перед восстановителем.
Таким образом, 5 электронов, принимаемых окислителем Mn +7 , ставим коэффициентом перед восстановителем, а 2 электрона, отдаваемых восстановителем S +4 коэффициентом перед окислителем:
5Na 2 S +4 O 3 + 2KMn +7 O 4 + H 2 SO 4 = 5Na 2 S +6 O 4 + 2Mn +2 SO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
- Далее надо уравнять количества атомов элементов, не изменяющих степень окисления, в такой последовательности: число атомов металлов, кислотных остатков, количество молекул среды (кислоты или щелочи). В последнюю очередь подсчитывают количество молекул образовавшейся воды.
Итак, в нашем случае число атомов металлов в правой и левой частях совпадают.
По числу кислотных остатков в правой части уравнения найдем коэффициент для кислоты.
В результате реакции образуется 8 кислотных остатков SO 4 2- , из которых 5 – за счет превращения 5SO 3 2- → 5SO 4 2- , а 3 – за счет молекул серной кислоты 8SO 4 2- — 5SO 4 2- = 3SO 4 2- .
Таким образом, серной кислоты надо взять 3 молекулы:
5Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5Na 2 SO 4 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
- Аналогично, находим коэффициент для воды по числу ионов водорода, во взятом количестве кислоты
6H + + 3O -2 = 3H 2 O
Окончательный вид уравнения следующий:
Признаком того, что коэффициенты расставлены правильно является равное количество атомов каждого из элементов в обеих частях уравнения.
Ионно-электронный метод (метод полуреакций)
Реакции окисления-восстановления, также как и реакции обмена, в растворах электролитов происходят с участием ионов. Именно поэтому ионно-молекулярные уравнения ОВР более наглядно отражают сущность реакций окисления-восстановления. При написании ионно-молекулярных уравнений, сильные электролиты записывают в виде , а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде). В ионной схеме указывают частицы, подвергающиеся изменению их степеней окисления , а также характеризующие среду, частицы: H + — кислая среда , OH — — щелочная среда и H 2 O – нейтральная среда.
Рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в кислой среде.
- Сначала необходимо составить схему реакции : записать вещества в начале и конце реакции:
Na 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
- Запишем уравнение в ионном виде , сократив те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:
SO 3 2- + MnO 4 — + 2H + = Mn 2+ + SO 4 2- + H 2 O
- Далее определим окислитель и восстановитель и составим полуреакции процессов восстановления и окисления.
В приведенной реакции окислитель — MnO 4 — принимает 5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Mn 2+ . При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO 4 — , который, соединяясь с H + , образует воду:
MnO 4 — + 8H + + 5e — = Mn 2+ + 4H 2 O
Восстановитель SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO 4 2- содержит больше кислорода, чем исходный SO 3 2- . Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2H + :
SO 3 2- + H 2 O — 2e — = SO 4 2- + 2H +
- Находим коэффициент для окислителя и восстановителя , учитывая, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:
MnO 4 — + 8H + + 5e — = Mn 2+ + 4H 2 O ¦2 окислитель, процесс восстановления
SO 3 2- + H 2 O — 2e — = SO 4 2- + 2H + ¦5 восстановитель, процесс окисления
- Затем необходимо просуммировать обе полуреакции , предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:
2MnO 4 — + 16H + + 5SO 3 2- + 5H 2 O = 2Mn 2+ + 8H 2 O + 5SO 4 2- + 10H +
Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:
2MnO 4 — + 5SO 3 2- + 6H + = 2Mn 2+ + 5SO 4 2- + 3H 2 O
- Запишем молекулярное уравнение, которое имеет следующий вид:
5Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5Na 2 SO 4 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O
Na 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 O = Na 2 SO 4 + MnO 2 + KOH
В ионном виде уравнение принимает вид:
SO 3 2- + MnO 4 — + H 2 O = MnO 2 + SO 4 2- + OH —
Также, как и предыдущем примере, окислителем является MnO 4 — , а восстановителем SO 3 2- .
В нейтральной и слабощелочной среде MnO 4 — принимает 3 электрона и восстанавливается до MnО 2 . SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона.
Полуреакции имеют следующий вид:
MnO 4 — + 2H 2 O + 3e — = MnО 2 + 4OH — ¦2 окислитель, процесс восстановления
SO 3 2- + 2OH — — 2e — = SO 4 2- + H 2 O ¦3 восстановитель, процесс окисления
Запишем ионное и молекулярное уравнения, учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:
3SO 3 2- + 2MnO 4 — + H 2 O =2 MnO 2 + 3SO 4 2- + 2OH —
3Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + H 2 O = 2MnO 2 + 3Na 2 SO 4 + 2KOH
И еще один пример — составление уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в щелочной среде.
Na 2 SO 3 + KMnO 4 + KOH = Na 2 SO 4 + K 2 MnO 4 + H 2 O
В ионном виде уравнение принимает вид:
SO 3 2- + MnO 4 — + OH — = MnO 2 + SO 4 2- + H 2 O
В щелочной среде окислитель MnO 4 — принимает 1 электрон и восстанавливается до MnО 4 2- . Восстановитель SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона.
Полуреакции имеют следующий вид:
MnO 4 — + e — = MnО 2 ¦2 окислитель, процесс восстановления
SO 3 2- + 2OH — — 2e — = SO 4 2- + H 2 O ¦1 восстановитель, процесс окисления
Запишем ионное и молекулярное уравнения , учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:
SO 3 2- + 2MnO 4 — + 2OH — = 2MnО 4 2- + SO 4 2- + H 2 O
Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + H 2 O = 2K 2 MnO 4 + 3Na 2 SO 4 + 2KOH
Необходимо отметить, что не всегда при наличии окислителя и восстановителя, возможно самопроизвольное протекание ОВР. Поэтому для количественной характеристики силы окислителя и восстановителя и для определения направления реакции пользуются значениями окислительно-восстановительных потенциалов.
Категории ,Для начала нужно убедиться, что представленная в уравнении реакция является ОВР (Окислительно-востановительная р-ция). Следует помнить, что к реакциям ОВР не относятся р-ции обмена. Прим. H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O – реакция обмена, степени окисления не изменяются.
2 шаг
Убедившись что это ОВР, приступим к расставлению коэффициентов. Для начала нужно расставить степени окисления над каждым элементом реакции. Смотри рис.2.
Можно увидеть что в некоторых элементах степень окисления изменилась. Метод баланса и заключатся в том, что бы использовать изменение степеней окисления.
3 шаг
Теперь непосредственно электронный баланс.
Обычно делается так: Смотри Рис.3.
Примечание: Нужно расставить коэффициенты, если они требуются.
Теперь объясню что здесь произошло, у азота(N) было три лишних электрона(¯e) в реакции он теряет все лишние электроны.
С кислородом (O2) происходит обратное – он приобретает электроны, т.к. в соединениях забирает электроны от других элементов.
В итоге у нас получились два числа – 6 и 4, они кратны числу 2, получаем 3 и 2. Потом меняем их местами (Почему? Да даже не думайте почему =)). Эти два числа и помогут нам уравнять нашу реакцию.
Задачник по общей и неорганической химии
2.2. Окислительно-восстановительные реакции
Смотрите задания >>>Теоретическая часть
К окислительно-восстановительным реакциям относятся химические реакции, которые сопровождаются изменением степеней окисления элементов. В уравнениях таких реакций подбор коэффициентов проводят составлением электронного баланса . Метод подбора коэффициентов с помощью электронного баланса складывается из следующих этапов:
а) записывают формулы реагентов и продуктов, а затем находят элементы, которые повышают и понижают свои степени окисления, и выписывают их отдельно:
MnCO 3 + KClO 3 ® MnO 2 + KCl + CO 2
Cl V ¼ = Cl - I
Mn II ¼ = Mn IV
б) составляют уравнения полуреакций восстановления и окисления, соблюдая законы сохранения числа атомов и заряда в каждой полуреакции :
полуреакция восстановления Cl V + 6 e - = Cl - I
полуреакция окисления Mn II - 2 e - = Mn IV
в) подбирают дополнительные множители для уравнения полуреакций так, чтобы закон сохранения заряда выполнялся для реакции в целом, для чего число принятых электронов в полуреакциях восстановления делают равным числу отданных электронов в полуреакции окисления:
Cl V + 6 e - = Cl - I 1
Mn II - 2 e - = Mn IV 3
г) проставляют (по найденным множителям) стехиометрические коэффициенты в схему реакции (коэффициент 1 опускается):
3 MnCO 3 + KClO 3 = 3 MnO 2 + KCl + CO 2
д ) уравнивают числа атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления при протекании реакции (если таких элементов два, то достаточно уравнять число атомов одного из них, а по второму провести проверку). Получают уравнение химической реакции:
3 MnCO 3 + KClO 3 = 3 MnO 2 + KCl + 3 CO 2
Пример 3 . Подберите коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции
Fe 2 O 3 + CO ® Fe + CO 2
Решение
Fe 2 O 3 + 3 CO = 2 Fe +3 CO 2
Fe III + 3 e - = Fe 0 2
C II - 2 e - = C IV 3
При одновременном окислении (или восстановлении) атомов двух элементов одного вещества расчет ведут на одну формульную единицу этого вещества.
Пример 4. Подберите коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции
Fe(S) 2 + O 2 = Fe 2 O 3 + SO 2
Решение
4 Fe(S) 2 + 11 O 2 = 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2
Fe II - e - = Fe III
- 11 e - 4
2S - I - 10 e - = 2S IV
O 2 0 + 4 e - = 2O - II + 4 e - 11
В примерах 3 и 4 функции окислителя и восстановителя разделены между разными веществами, Fe 2 O 3 и O 2 - окислители, СО и Fe (S ) 2 - восстановители ; такие реакции относят к межмолекулярным окислительно-восстановительным реакциям.
В случае внутримолекулярного окисления-восстановления, когда в одном и том же веществе атомы одного элемента окисляются, а атомы другого элемента восстанавливаются, расчет ведут на одну формульную единицу вещества.
Пример 5. Подберите коэффициенты в уравнении реакции окисления-восстановления
(NH 4) 2 CrO 4 ® Cr 2 O 3 + N 2 +H 2 O + NH 3
Решение
2 (NH 4) 2 CrO 4 = Cr 2 O 3 + N 2 +5 H 2 O + 2 NH 3
Cr VI + 3 e - = Cr III 2
2N - III - 6 e - = N 2 0 1
Для реакций дисмутации (диспропорционирования , самоокисления - самовосстановления), в которых атомы одного и того же элемента в реагенте окисляются и восстанавливаются, дополнительные множители проставляют вначале в правую часть уравнения, а затем находят коэффициент для реагента.
Пример 6 . Подберите коэффициенты в уравнении реакции дисмутации
H 2 O 2 ® H 2 O + O 2
Решение
2 H 2 O 2 = 2 H 2 O + O 2
O - I + e - = O - II 2
2O - I - 2 e - = O 2 0 1
Для реакции конмутации (синпропорционирования ), в которых атомы одного и того же элемента разных реагентов в результате их окисления и восстановления получают одинаковую степень окисления, дополнительные множители проставляют вначале в левую часть уравнения.
Пример 7. Подберите коэффициенты в уравнении реакции конмутации :
H 2 S + SO 2 = S + H 2 O
Решение
2 H 2 S + SO 2 = 3 S + 2H 2 O
S - II - 2 e - = S 0 2
S IV + 4 e - = S 0 1
Для подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водном растворе при участии ио нов, используют метод электронно-ионного баланса. Метод подбора коэффициентов с помощью электронно-ионного баланса складывается из следующих этапов:
а) записывают формулы реагентов данной окислительно-восстановительной реакции
K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 + H 2 S
и устанавливают химическую функцию каждого из них (здесь K 2 Cr 2 O 7 - окислитель, H 2 SO 4 - кислотная среда реакции, H 2 S - восстановитель);
б) записывают (на следующей строчке) формулы реагентов в ионном виде, указывая только те ионы (для сильных электролитов), молекулы (для слабых электролитов и газов) и формульные единицы (для твердых веществ), которые примут участие в реакции в качестве окислителя (Cr 2 O 7 2 - ), среды (Н + - точнее, катиона оксония H 3 O + ) и восстановителя (H 2 S ):
Cr 2 O 7 2 - + H + + H 2 S
в) определяют восстановленную формулу окислителя и окисленную форму восстановителя, что должно быть известно или задано (так, здесь дихромат-ион переходит катионы хрома(III ), а сероводород - в серу); эти данные записывают на следующих двух строчках, составляют электронно-ионные уравнения полуреакций восстановления и окисления и подбирают дополнительные множители для уравнений полуреакций :
полуреакция восстановления Cr 2 O 7 2 - + 14 H + + 6 e - = 2 Cr 3+ + 7 H 2 O 1
полуреакция окисления H 2 S - 2 e - = S (т) + 2 H + 3
г) составляют, суммируя уравнения полуреакций , ионное уравнение данной реакции, т.е. дополняют запись (б):
Cr 2 O 7 2 - + 8 H + + 3 H 2 S = 2 Cr 3+ + 7 H 2 O + 3 S ( т )
д ) на основе ионного уравнения составляют молекулярное уравнение данной реакции, т.е. дополняют запись (а), причем формулы катионов и анионов, отсутствующие в ионном уравнении, группируют в формулы дополнительных продуктов (K 2 SO 4 ):
K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 + 3H 2 S = Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O + 3S ( т ) + K 2 SO 4
е) проводят проверку подобранных коэффициентов по числу атомов элементов в левой и правой частях уравнения (обычно достаточно только проверить число атомов кислорода).
Окисленная и восстановленная формы окислителя и восстановителя часто отличаются по содержанию кислорода (сравните Cr 2 O 7 2 - и Cr 3+ ). Поэтому при составлении уравнений полуреакций методом электронно-ионного баланса в них включают пары Н + / Н 2 О (для кислотной среды) и ОН - / Н 2 О (для щелочной среды). Если при переходе от одной формы к другой исходная форма (обычно - окисленная) теряет свои оксид-ионы (ниже показаны в квадратных скобках), то последние, так как они не существуют в свободном виде, должны быть в кислотной среде соединены с катионами водорода, а в щелочной среде - с молекулами воды, что приводит к образованию молекул воды (в кислотной среде) и гидроксид-ионов (в щелочной среде ):
кислотная среда[ O 2 - ] + 2 H + = H 2 O
щелочная среда[ O 2 - ] + H 2 О = 2 ОН -
Недостаток оксид-ионов в исходной форме (чаще - в восстановленной) по сравнению с конечной формой компенсируется добавлением молекул воды (в кислотной среде) или гидроксид-ионов (в щелочной среде):
кислотная среда H 2 O = [ O 2 - ] + 2 H +
щелочная среда2 ОН - = [ O 2 - ] + H 2 О
Пример 8. Подберите коэффициенты методом электронно-ионного баланса в уравнении окислительно-восстановительной реакции:
® MnSO 4 + H 2 O + Na 2 SO 4 + ¼
Решение
2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 + 5 Na 2 SO 3 =
2 MnSO 4 + 3 H 2 O + 5 Na 2 SO 4 + + K 2 SO 4
2 MnO 4 - + 6 H + + 5 SO 3 2 - = 2 Mn 2+ + 3 H 2 O + 5 SO 4 2 -
MnO 4 - + 8 H + + 5 e - = Mn 2+ + 4 H 2 O2
SO 3 2 - + H 2 O - 2 e - = SO 4 2 - + 2 H + 5
Пример 9 . Подберите коэффициенты методом электронно-ионного баланса в уравнении окислительно-восстановительной реакции:
Na 2 SO 3 + KOH + KMnO 4 ® Na 2 SO 4 + H 2 O + K 2 MnO 4
Решение
Na 2 SO 3 + 2 KOH + 2 KMnO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + 2 K 2 MnO 4
SO 3 2 - + 2 OH - + 2 MnO 4 - = SO 4 2 - + H 2 O + 2 MnO 4 2 -
MnO 4 - + 1 e - = MnO 4 2 - 2
SO 3 2 - + 2 OH - - 2 e - = SO 4 2 - + H 2 О 1
Если перманганат-ион используется в качестве окислителя в слабокислотной среде, то уравнение полуреакции восстановления:
MnO 4 - + 4 H + + 3 e - = Mn О 2( т ) + 2 H 2 O
а если в слабощелочной среде, то
MnO 4 - + 2 H 2 О + 3 e - = Mn О 2( т) + 4 ОН -
Часто слабокислую и слабощелочную среду условно называют нейтральной, при этом в уравнения полуреакций слева вводят только молекулы воды. В этом случае при составлении уравнения следует (после подбора дополнительных множителей) записать дополнительное уравнение, отражающее образование воды из ионов Н + и ОН - .
Пример 10 . Подберите коэффициенты в уравнении реакции, протекающей в нейтральной среде:
KMnO 4 + H 2 О + Na 2 SO 3 ® Mn О 2( т ) + Na 2 SO 4 ¼
Решение
2 KMnO 4 + H 2 О + 3 Na 2 SO 3 = 2 Mn О 2( т ) + 3 Na 2 SO 4 + 2 КОН
MnO 4 - + H 2 О + 3 SO 3 2 - = 2 Mn О 2( т ) + 3 SO 4 2 - + 2 ОН -
MnO 4 - + 2 H 2 О + 3 e - = Mn О 2( т) + 4 ОН -
SO 3 2 - + H 2 O - 2 e - = SO 4 2 - + 2 H +
8ОН - + 6 Н + = 6 Н 2 О + 2 ОН -
Таким образом, если реакцию из примера 10 проводят простым сливанием водных растворов перманганата калия и сульфита натрия, то она протекает в условно нейтральной (а в действительности, в слабощелочной) среде из-за образования гидроксида калия. Если же раствор перманганата калия немного подкислить, то реакция будет протекать в слабокислотной (условно нейтральной) среде.
Пример 11 . Подберите коэффициенты в уравнении реакции, протекающей в слабокислотной среде:
KMnO 4 + H 2 SO 4 + Na 2 SO 3 ® Mn О 2( т ) + H 2 O + Na 2 SO 4 + ¼
Решение
2KMnO 4 + H 2 SO 4 + 3Na 2 SO 3 = 2MnО 2( т ) + H 2 O + 3Na 2 SO 4 + K 2 SO 4
2 MnO 4 - + 2 H + + 3 SO 3 2 - = 2 Mn О 2( т ) + Н 2 О + 3 SO 4 2 -
MnO 4 - + 4 H + + 3 e - = Mn О 2( т ) + 2 H 2 O2
SO 3 2 - + H 2 O - 2 e - = SO 4 2 - + 2 H + 3
Формы существования окислителей и восстановителей до и после реакции, т.е. их окисленные и восстановленные формы, называют окислительно-восстановительными парами . Так, из химической практики известно (и это требуется запомнить), что перманганат-ион в кислотной среде образует катион марганца(II ) (пара MnO 4 - + H + / Mn 2+ + H 2 O ), в слабощелочной среде - оксид марганца(IV ) (пара MnO 4 - + H + ¤ Mn О 2(т) + H 2 O или MnO 4 - + H 2 О = Mn О 2(т) + ОН - ). Состав окисленных и восстановленных форм определяется, следовательно, химическими свойствами данного элемента в различных степенях окисления, т.е. неодинаковой устойчивостью конкретных форм в различных средах водного раствора. Все использованные в настоящем разделе окислительно-восстановительные пары приведены в задачах 2.15 и 2.16.
В этом методе сравнивают степени окисления атомов в исходных и конечных веществах, руководствуясь правилом : число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединенных окислителем. Для составления уравнения надо знать формулы реагирующих веществ и продуктов реакции. Последние определяются либо опытным путем, либо на основе известных свойств элементов. Рассмотрим применение этого метода на примерах.
Пример 1 . Составление уравнения реакции меди с раствором нитрата палладия (II ). Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции и покажем изменения степеней окисления:
Медь, образуя ион меди, отдает два электрона, ее степень окисления повышается от 0 до +2. Медь — восстановитель. Ион палладия, присоединяя два электрона, изменяет степень окисления от +2 до 0. Нитрат палладия (II ) -окислитель. Эти изменения можно выразить электронными уравнениями
из которых следует, что при восстановителе и окислителе коэффициенты равны 1. Окончательное уравнение реакции:
Cu + Pd(NO 3) 2 = Cu(NO 3) 2 + Pd
Как видно, в суммарном уравнении реакции электроны не фигурируют.
Чтобы проверить правильность составленного уравнения, подсчитываем число атомов каждого элемента в его правой и левой частях. Например, в правой части 6 атомов кислорода, в левой также 6 атомов; палладия 1 и 1; меди тоже 1 и 1. Значит, уравнение составлено правильно.
Переписываем это уравнение в ионной форме:
Cu + Pd 2+ + 2NO 3 — = Cu 2+ + 2NO 3 — + Рd
И после сокращения одинаковых ионов получим
Cu + Pd 2+ = Cu 2+ + Pd
Пример 2. Составление уравнения реакции взаимодействия оксида марганца (IV ) с концентрированной соляной кислотой (с помощью этой реакции в лабораторных условиях получают хлор).
Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции:
НCl + Мn О 2 → Сl 2 + MnСl 2 + Н 2 О
Покажем изменение степеней окисления атомов до и после реакции:
Эта реакция окислительно-восстановительная, так как изменяются степени окисления атомов хлора и марганца. НCl — восстановитель, MnО 2 - окислитель. Составляем электронные уравнения:
и находим коэффициенты при восстановителе и окислителе. Они соответственно равны 2 и 1. Коэффициент 2 (а не 1) ставится потому, что 2 атома хлора со степенью окисления -1 отдают 2 электрона. Этот коэффициент уже стоит в электронном уравнении:
2НСl + Mn O 2 → Сl 2 + MnСl 2 + Н 2 О
Находим коэффициенты для других реагирующих веществ. Из электронных уравнений видно, что на 2 моль HCl приходится 1 моль Mn О 2 . Однако, учитывая, что для связывания образующегося двухзарядного иона марганца нужно еще 2 моль кислоты, перед восстановителем следует поставить коэффициент 4. Тогда воды получится 2 моль. Окончательное уравнение имеет вид
4НCl + Мn О 2 = Сl 2 + Mn Сl 2 + 2Н 2 О
Проверку правильности написания уравнения можно ограничить подсчетом числа атомов одного какого-либо элемента, например хлора: в левой части 4 и в правой 2 + 2 = 4.
Поскольку в методе электронного баланса изображаются уравнения реакций в молекулярной форме, то после составления и проверки их следует написать в ионной форме.
Перепишем составленное уравнение в ионной форме:
4Н + + 4Сl — + МnО 2 = Сl 2 + Мn 2 + + 2Сl — + 2Н 2 О
и после сокращения одинаковых ионов в обеих частях уравнения получим
4Н + + 2Cl — + MnO 2 = Сl 2 + Mn 2+ + 2Н 2 О
Пример 3 . Составление уравнения реакции взаимодействия сероводорода с подкисленным раствором перманганата калия.
Напишем схему реакции — формулы исходных и полученных веществ:
Н 2 S + КМnO 4 + Н 2 S О 4 → S + МnS О 4 + К 2 SO 4 + Н 2 О
Затем покажем изменение степеней окисления атомов до и после реакции:
Изменяются степени окисления у атомов серы и марганца (Н 2 S — восстановитель, КМn О 4 — окислитель). Составляем электронные уравнения, т.е. изображаем процессы отдачи и присоединения электронов:
И наконец, находим коэффициенты при окислителе и восстановителе, а затем при других реагирующих веществах. Из электронных уравнений видно, что надо взять 5 моль Н 2 S и 2 моль КМn О 4 , тогда получим 5 моль атомов S и 2 моль МnSО 4 . Кроме того, из сопоставления атомов в левой и правой частях уравнения, найдем, что образуется также 1 моль К 2 S О 4 и 8 моль воды. Окончательное уравнение реакции будет иметь вид
5Н 2 S + 2КМnО 4 + ЗН 2 S О 4 = 5S + 2МnS О 4 + К 2 S О 4 + 8Н 2 О
Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом атомов одного элемента, например кислорода; в левой части их 2 . 4 + 3 . 4 = 20 и в правой части 2 . 4 + 4 + 8 = 20.
Переписываем уравнение в ионной форме:
5Н 2 S + 2MnO 4 — + 6H + = 5S + 2Мn 2+ + 8Н 2 О
Известно, что правильно написанное уравнение реакции является выражением закона сохранения массы веществ. Поэтому число одних и тех же атомов в исходных веществах и продуктах реакции должно быть одинаковым. Должны сохраняться и заряды. Сумма зарядов исходных веществ всегда должна быть равна сумме зарядов продуктов реакции.