16_Sostavlenie_OVR

ЛЕКЦИЯ 16 СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ

ПЛАН ЛЕКЦИИ

Нахождение коэффициентов в уравнениях окислительно-

восстановительных реакций методом электронного баланса.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионного баланса.

Составление уравнений реакций, протекающих в кислой среде. Составление уравнений реакций, протекающих в щелочной среде.

Составление уравнений реакций, протекающих в нейтральной среде.

Составление уравнений реакций с незаданной средой.

В основе всех способов подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций лежит правило: число электронов,

отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем

(электронный баланс).

НАХОЖДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ В УРАВНЕНИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО БАЛАНСА

Последовательность нахождения коэффициентов в уравнении окислительно-восстановительной реакции:

MnO2 + KClO3 + KOH K2MnO4 + KCl + H2O.

Находят в составе исходных веществ и продуктов реакции элементы, у

которых изменились степени окисления, и по изменению степеней окисления

определяют окислитель и восстановитель:

Степень окисления марганца повысилась, а степень окисления хлора понизилась, следовательно, MnO2 – восстановитель, окислился до K2MnO4, KClO3 – окислитель, восстановился до KCl.

Выписывают элементы, у которых изменились степени окисления, и

составляют электронную схему присоединения (+ e ) и отдачи ( e ) электронов

в соответствии с балансом зарядов в каждом уравнении схемы:

Найденные множители – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции:

3MnO2 + KClO3 + KOH 3K2MnO4 + KCl + H2O.

Уравнивают число атомов элементов, у которых не изменилась степень

окисления:

3MnO2 + KClO3 + 6KOH = 3K2MnO4 + KCl + 3H2O.

Проверяют коэффициенты в уравнении: число атомов кислорода (или любого другого элемента) в левой и правой частях уравнения должно быть

одинаковым. Для данной реакции число атомов кислорода 15 = 15.

Пример. Определите коэффициенты в уравнении

Решение.

2Ca3(PO4)2 + 10C + 3SiO2 = 3CaSiO4 + P4 + 10CO.

СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОГО БАЛАНСА

Метод электронно-ионного баланса (или электронно-ионных полуреакций) используется при составлении уравнений реакций, протекающих в растворе: в таких реакциях участвуют ионы.

Принята определенная последовательность и форма записи при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Составление уравнений реакций, протекающих в кислой среде

Реакция между перманганатом калия и нитритом натрия протекает в кислой среде. Уравнения реакций часто задаются в виде молекулярно-ионной схемы:

Определяют по изменению степеней окисления элементов: окислитель

KMnO4, восстановитель NaNO2; H2SO4 – создает среду в растворе.

Записывают ионную схему реакции:

K+ + MnO4+ Na+ + NO2+ 2H+ + SO42 Mn2+ + NO3+ …

В ионной схеме, как и в ионных уравнениях, сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а малорастворимые вещества и слабые электролиты - в виде молекул.

Выписывают отдельно ион окислитель (MnO4 ) и его восстановленную форму (Mn2+), а также ион – восстановитель (NO2 ) и его окисленную форму

(NO3 ), т. е. выписывают окислительно-восстановительные пары: MnO4 Mn2+

NO2 NO3 .

Составляют на основе окислительно-восстановительных пар электронно-

ионные уравнения полуреакций окисления и восстановления.

Если исходная форма окислителя (MnO4 ) или восстановителя содержит больше кислорода, чем конечная (Mn2+), то избыточные ионы кислорода,

которые не могут быть в свободном состоянии, связывают ионами H+ в

молекулы воды:

[O2 ] + 2H+ = H2O,

MnO4+ 8H+ Mn2+ + 4H2O.

На каждый избыточный ион кислорода в левой части уравнения полуреакции записывают по два иона водорода, а в правой части уравнения – соответствующее число молекул воды.

Если исходная форма окислителя или восстановителя (NO2 ) содержит меньше кислорода, чем конечная (NO3 ), то недостающие ионы кислорода компенсируют молекулами воды:

H2O = [O2 ] + 2H+,

NO2+ H2O NO3+ 2H+.

На каждый недостающий ион кислорода в левой части уравнения записывают молекулу воды, а в правой части уравнения – соответствующее число ионов водорода.

Рассчитывают число отданных и принятых электронов в полуреакциях по изменению степени окисления элемента или по правилу равенства суммарного

заряда частиц, включая электроны, в левой и правой частях уравнения (балансу зарядов):

Составляют электронно-ионную схему реакции, находят наименьшие множители для уравнивания числа отданных и принятых электронов,

суммируют левые и правые части уравнений с учетом соответствующих

2MnO4+ 5NO2+ 16H+ + 5H2O = 2Mn2+ + 5NO3+ 10H+ + 8H2O

В суммарном уравнении приводят подобные слагаемые. Полученное уравнение – ионное уравнение реакции:

2MnO4+ 5NO2+ 6H+ = 2Mn2+ + 5NO3+ 3H2O.

Дописывают молекулярное уравнение с учетом найденных стехиометрических коэффициентов:

2KMnO4 + 5NaNO2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5NaNO3 + K2SO4 + 3H2O.

Принято проверять уравнение по числу атомов кислорода в левой и правой частях уравнения – число атомов должно быть одинаковым.

Необходимо помнить, что в электронно-ионные уравнения полуреакций с заданной кислой средой помимо окисленных и восстановленных форм

включают ионы H+ и молекулы H2O.

Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для окислительно-восстановительных пар в заданной кислой среде:

полуреакции окисления. Вещества PbS и PbSO4 малорастворимы, поэтому в электронно-ионном уравнении записаны в молекулярной форме.

Пример 2. Окислением или восстановлением является превращение в окислительно-восстановительных парах:

а) Co3O4 + H+ Co2+; б) Fe3O4 + H+ Fe3+.

Решение. Число отданных и принятых электронов в уравнениях полуреакций с участием сложных частиц, содержащих атомы элемента в разных степенях

окисления, определяют по балансу зарядов.

а) Co3O4 + 8H+ + х e = 3Co2+ + 4H2O,

баланс зарядов: 8 + х( -1) = 6; х = 2.

Уравнение полуреакции Co3O4 + 8H+ + 2 e = 3Co2+ + 4H2O, т. е. превращение является восстановлением.

а) Fe3O4 + 8H+ + х e = 3Fe3+ + 4H2O,

баланс зарядов: 8 + х( -1) = 9; х = -1.

Уравнение полуреакции Fe3O4 + 8H+ - e = 3Fe3+ + 4H2O, т. е. превращение является окислением.

Пример 3. Найдите коэффициенты методом электронно-ионного баланса и

допишите уравнение реакции:

P + HNO3 (конц) H3PO4 + NO2.

Решение. Азотная кислота – окислитель, фосфор – восстановитель.

P + 5HNO3 (конц) = H3PO4 + 5NO2 + H2O

Составление уравнений реакций, протекающих в щелочной среде

В щелочном растворе концентрация ионов водорода мала

([Н+] 10-7 моль/л), поэтому избыточные в исходных формах ионы кислорода связывают молекулами воды в гидроксогруппы:

[O2 ] +H2O = 2OH¯.

Недостающие в исходных формах ионы кислорода компенсируют гидроксогруппами:

2OH¯ = [O2 ] + H2O.

Последовательность составления уравнений реакций с заданной щелочной средой аналогична последовательности, показанной для реакции с заданной кислой средой. Необходимо помнить, что для реакций в щелочной среде в электронно-ионные уравнения полуреакций помимо окисленных и восстановленных форм включают ионы OH¯ и молекулы H2O.

Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для окислительно-восстановительных пар в заданной щелочной среде:

а) NO3¯ → NO2¯; б) I2 → IO3¯.

Решение. а) NO3¯ + H2O + 2 e = NO2¯ + 2ОН¯;

коэффициенты и допишите уравнение реакции:

MnSO4 + KClO + NaOH MnO2 + Cl¯.

Решение. MnSO4 – восстановитель, KClO – окислитель; NaOH – создает

При недостатке кислорода в исходной форме (Mn2+) по сравнению с конечной формой (MnO2) в левую часть электронно-ионного уравнения записывают ионы ОН¯ (на каждый недостающий ион кислорода – два иона ОН¯), в правую часть - соответствующее число молекул H2O:

Mn2+ + 4ОН¯ MnO2 + 2H2O.

При избытке кислорода в исходной форме (ClO¯) по сравнению с конечной формой (Cl¯) в левую часть электронно-ионного уравнения записывают столько молекул H2O, сколько освобождается ионов кислорода, в

правую часть - гидроксогруппы (в два раза больше, чем записано молекул воды):

ClO¯ + H2O Cl¯ + 2ОН¯.

Электронно-ионные уравнения полуреакций (электронно-ионная схема),

ионное и молекулярное уравнения реакции:

Mn2+ + ClO¯ + 2ОН- = MnO2 + Cl¯ + H2O

MnSO4 + KClO + 2NaOH = MnO2 + KCl +Na2SO4 + H2O.

Составление уравнений реакций, протекающих в нейтральной среде

В нейтральной среде концентрация ионов H+ и ОН¯ мала, поэтому связывают избыточные и компенсируют недостающие ионы кислорода в исходных формах молекулами H2O:

[O2 ] +H2O = 2OH-; H2O = [O2 ] + 2H+.

Таким образом, в левой части уравнений полуреакций, кроме окислителя и восстановителя, могут быть записаны только молекулы воды.

Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для

окислительно-восстановительных пар в заданной нейтральной среде:

Решение. KMnO4 – окислитель, Na2SO3 – восстановитель; среда нейтральная.

2MnO4+ 3SO32- + H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 2OH¯, 2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH.

Пример 3. Методом электронно-ионного баланса определите

коэффициенты и допишите уравнение реакции:

K2(S5) + O3 + H2O S + O2.

Решение. Озон O3 – в окислительно-восстановительных реакциях может быть только окислителем, пентасульфид(2-) калия – восстановитель; среда нейтральная.

В заданном уравнении определить число отданных восстановителем и принятых окислителем электронов по изменению степени окисления элементов

сложно. Число электронов рассчитывают по балансу зарядов в левой и правой частях электронно-ионных уравнений.

2K+ + (S5)2- + O3 + H2O S + O2.

Составление уравнений реакций с незаданной средой

В электронно-ионных уравнениях избыточные в исходной форме ионы кислорода связывают ионами H+ ([O2 ] + 2H+ = H2O), недостающие в исходной форме ионы кислорода компенсируют ионами ОН¯ (2ОН¯ = [O2 ] + H2O).

Пример. Методом электронно-ионного баланса определите

коэффициенты в уравнении реакции и среду (нейтральную, кислую или щелочную), допишите уравнение:

K2Cr2O7 + NaNO2 +… Cr3+ + NO3 .

Решение.

2K+ + Cr2O72- + Na+ + NO2+… Cr3+ + NO3 .

Cr2O72- + 3NO2+ 8H+ = 2Cr3+ + 3NO3+ 4H2O

Как следует из ионного уравнения, реакция протекает при избытке ионов водорода, в кислой среде. Для создания кислой среды используют разбавленную серную кислоту.