2.2. Метод ионно-электронного баланса (метод полуреакций)

Метод применяют при составлении уравнений ОВР, протекающих в растворах.

В отличие от метода электронного баланса он дает более правильное представление о процессах окисления и восстановления в растворах, так как рассматривает не гипотетические степени окисления элементов, а ионы молекул в том виде, в котором они существуют в растворе. Слабые электролиты или малорастворимые вещества записывают в виде молекул, а сильные – в виде ионов; при этом учитывают, что в водной среде в реакции могут участвовать ионы Н⁺, ОН^– и молекулы Н₂О.

Порядок и правила нахождения коэффициентов в уравнениях ОВР, протекающих в различных средах, неодинаковы, поэтому рассмотрим их на отдельных примерах.

1. Овр, протекающие в кислой среде

Каждая освобождающаяся частица кислорода связывается с двумя ионами водорода с образованием одной молекулы воды: [О^–2] + 2 Н⁺ = Н₂О. Каждая недостающая частица кислорода берется из молекулы воды, при этом освобождается два иона водорода: Н₂О - [О^–2] = 2 H⁺

Последовательность действий при составлении уравнений реакции следующая:

1. Записывают схему реакции в молекулярной форме, например:

KMnO₄ + H₂C₂O₄ + H₂SO₄ → MnSO₄ + CO₂ + K₂SO₄ + H₂O

2. Записывают схему реакции в ионной форме:

K⁺ + MnO₄^‾ + 2H⁺ + C₂O₄^2- + 2H⁺ + SO₄^2- → Mn²⁺ + SO₄^2- + CO₂ +2K⁺ + SO₄^2- + H₂O

Сокращаем те ионы, которые не претерпели изменения в результате реакции.

3. Составляют краткое ионное уравнение ОВР и подчеркивают ионы, которые изменились по зарядности или составу:

MnO₄^‾ + 2H⁺ + C₂О₄ ^2- → Mn²⁺ + CО₂+ H₂O

4. Записывают схему процессов окисления и восстановления в виде так называемых полуреакций а) MnO₄^– → Mn²⁺ восстановление;

б) C₂O₄^2– → CO₂ окисление.

5. Составляют качественный и количественный баланс для атомов элементов, а также баланс по зарядам ионов, молекул для полуреакций «а» и «б».

Качественный баланс предусматривает, чтобы в правой и левой частях уравнений «а» и «б» присутствовали одни и те же элементы. Количественный баланс требует равенства числа атомов каждого элемента в правой и левой частях.

Качественный и количественный баланс обеспечивается разными способами в различных средах.

В процессе восстановления в левой части полуреакции «а» - четыре атома кислорода, для их связывания нужно написать в левую часть 8 H⁺ и получить 4 молекулы воды в правой части уравнения «а» (т. е. на каждый избыточный атом кислорода вводится в левую часть удвоенное число катионов водорода, а в правую вводится соответствующее число молекул воды (в два раза меньше, чем число ионов водорода):

а) MnO₄^‾ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O;

б) C₂O₄^2‾ → 2CO₂;

для полуреакции «б» качественный и количественный баланс обеспечивают коэффициентом в правой части уравнения. Если окислительно-восстановительные реакции протекают в присутствии молекулы кислоты и при составлении материального баланса наблюдается недостаток атомов кислорода в одной из частей баланса, то в эту часть записывают столько молекул воды, сколько не хватает атомов кислорода, а в противоположную часть записывают удвоенное число катионов водорода на каждый избыточный атом кислорода.

6. Далее осуществляют баланс по зарядам ионов и молекулам складывая все заряды левой части и правой части уравнения. В нашем примере заряд левой части равен +7, а правой части двум. Далее, чтобы уравнять заряды прибавляют в левую часть 5ē электронов, и стрелку заменяем на знак равенства.

В полуреакции «б» заряд левой части обусловливается зарядом иона и равен –2, а правой части – 0, т.к. нейтральные молекулы электронейтральны, и чтобы заряд левой части был равен нулю, отнимают 2 электрона

MnO4- + 8H+ + 5ē = Mn2+ + 4H2O			5	10	2
суммарный заряд до превращения	суммарный заряд после превращения	число переданных электронов
[-1+8(+1)]=+7	[+2+4•0]=+2	n1 =+7-2=+5
C2O42- - 2ē = 2CO2			2		5
заряд до превращения равен -2	заряд после число переданных превращения электронов 2•0=0 n2 =–2 – 0 =–2

Так как число принятых окислителем электронов и отданных восстановителем должно быть одинаковым, то для чисел 2 и 5 находим наименьшее общее кратное, оно равно 10, затем находим коэффициенты для полуреакций «а» и «б». Для молекул и ионов уравнения «а» множитель равен 2, в уравнении «б» множитель равен 5.

7. Каждую частицу полуреакции окисления-восстановления умножаем на найденные коэффициенты электронного баланса и складываем левые и правые части баланса; если нужно, то приводим подобные члены и составляем краткое ионное уравнение ОВР.

2MnO₄^¯ + 16H⁺ + 5C₂O₄^2– = 2Mn²⁺ + 8H₂O + 10CO₂ (краткое ионное уравнение)

Множители перед ионами и молекулами в суммарном уравнении есть коэффициенты перед соответствующими молекулами в молекулярном уравнении и составляют молекулярное уравнение.

2KMnO₄ + 5H₂C₂O₄ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O

8. Определяют коэффициенты перед атомами элементов не участвующими в ОВР (например К⁺) и проверяют суммарное число атомов водорода и кислорода в левой и правой частях молекулярного уравнения.

Пример:

K₂Cr₂O₇ + HCl → CrCl₃ + Cl₂ + KCl + H₂O

1) 2K⁺ + (Cr₂O₇)² + H⁺ + Cl^- → Cr³⁺ + 3Cl^- + Cl₂ + K⁺ + Cl + H₂O

2) Cr₂O₇^2- + H⁺ + Cl^- → Cr³⁺ + Cl₂ + H₂O

3)Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6ē → 2Cr³⁺ + 7H₂O 6 3 1 восстановление

2Cl^- -2ē = Cl₂ 2 1 3 окисление

Так как в ионе Cr₂O₇^2- 2 атома хрома, то и в правой части перед ионом ставится коэффициент 2:

4) Cr₂O₇^2- + 6Cl^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3Cl₂

При написании молекулярного уравнения нужно учесть что молекулы HCl выполняют роль восстановителя и среды. Ионы K⁺ в молекуле K₂Cr₂O₇ нужно связать с хлорид ионом с образованием соли KCl, а атом , который входит в состав иона(Cr₂O₇)^2-, выполняющего роль окислителя и восстанавливающийся до ионов Cr³⁺, связать тоже c ионом Cl¯ в соль CrCl₃. Таким образом 8 молекул кислоты HCl в правой части идет на солеобразование и 6 молекул на окисление, поэтому коэффициент перед кислотой ставится по числу катионов водорода.

K₂Cr₂O₇ + 14HCl = 2CrCl₃ + 2KCl + 3Cl₂ + 7H₂O