8.4. Методы составления уравнения окислительно-восстановительных реакций

Для составления химических уравнений окислительно-восстановительных реакций применяют два метода:

а) электронного и б) ионно-электронного баланса.

Метод электронного баланса. Этот метод построен на подсчете общего числа электро­нов, переходящих от восстановителя к окислителю и определяется изменением окислительного числа элементов в реагирующих веществах до и после реакции.

В качестве примера рассмотрим реакцию:

В ходе взаимодействия окислительные числа изменяют хром и сера, при этом О.Ч.хрома уменьшается (следовательноCr⁺⁶- окислитель), а серы увеличивается (S^-2- восстановитель). Значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов подтверждают правильное определение окислителя и восстановителя(=1,033 В,=1,14 В).

Составляются электронные схемы частных процессов окисления и восстановления:

2Сr⁺⁶ + 6= 2Сr³⁺

S ^-2 - 2= S⁰

Молекула K₂Cr₂O₇ содержит два атома хрома, поэтому в электронной схеме берут2Cr⁺⁶.Затем определяются коэффици­енты перед окислителем и восстановителем, исходя из прави­ла: общее число отданных восстановителем электронов равно числу принятых окислителем. В приведенном случае такими коэффициентами являются числа:3- перед восстановителем и1- перед окислителем.

2Cr⁺⁶ + 6=2Cr³⁺ 1

S ^-2 - 2=S⁰ 3

2Cr⁺⁶ + S^-2 = 2Cr³⁺+S⁰

Найденные коэффициенты подставляют в левую часть уравнения рассматриваемой реакции. Коэффициенты для ос­тальных соединений находятся путем сопоставления атомов в соединениях в левой и правой частях схемы. В результате окончательное уравнение реакции будет иметь вид:

K₂Cr₂O₇ + 3H₂S +4H₂ SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 3S + 7H₂O

Ионно-электронный метод. Ионно-электронный метод, так же как и метод электрон­ного баланса, основан на определении общего количества эле­ментов, перемещающихся от восстановителя к окислителю, но в этом методе коэффициенты определяют с учетом реальной формы ионов, участвующих во взаимодействии, и с учетом кислотности среды. Рассмотрим реакцию:

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂PO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O

Или в ионной форме:

2К⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂S + 2Н⁺ + SO₄^2- = 2Cr³⁺ + 3SO₄^2- + S + 2К⁺ + SO₄^2- + Н₂O

При написании реакций в ионной форме следует пом­нить, что малодиссоциирующие, газообразные и труднорастворимые соединения записываются в уравнении в молекулярной форме.

Составляем ионно-электронные схемы для частных про­цессов окисления и восстановления с указанием исходных и образующихся реально существующих в условиях данной ре­акции ионов или молекул. Следует иметь ввиду, что в водных растворах большую роль играет среда, потому в реакциях мо­гут участвовать молекулы Н₂O,ионыН⁺илиОН^-.Так, если продукт реакции содержит меньше кислорода (или вообще не содержит), чем исходный, то избыток кислорода связывается с молекулами воды с образованием гидроксид-ионов (О^2- + Н₂O = 2OН^-).

Если продукт реакции содержит больше кислорода, чем исходное вещество, то недостающее количество кислорода в кислых и нейтральных средах берется из молекул воды, при этом освобождаются ионы водорода (Н₂O = О^2- + 2Н⁺),источником кислорода в щелочной среде служат ионыОH^-, при этом в качестве продукта реакции образуется вода(2OН^- = О^2- + Н₂O).

Для рассматриваемого случая схемы полуреакций имеют вид:

Cr₂O₇^2- + 14Н⁺ → 2Сr³⁺ + 7Н₂O

H₂S → S + 2Н⁺

Левая часть первой схемы имеет суммарный заряд ионов +12 (-2 + 14 = 12), суммарный заряд правой части+6. Следовательно, в результате восстановления присоединяется6электронов;

во второй схеме левая часть содержит только незаряженные частицы (H₂S), а суммарный заряд пра­вой части равен+2. Следовательно, в результате окисления освобождаются два электрона, т.е.

Cr₂O₇^2- + 14Н⁺ + 6= 2Cr³⁺ + 7Н₂O 1

H₂S - 2= S + 2Н⁺ 3

Основные коэффициенты (1 и 3)подбираются также как и в методе электронного баланса.

Для составления ионного уравнения окислительно-восстановительной реакции следует просуммировать получен­ные полуреакции для процессов окисления и восстановления с учетом установленных коэффициентов при окислителе и вос­становителе:

Cr₂O₇^2- + 14Н⁺ + 3H₂S = 2Cr³⁺ + S + 7Н₂O + 6Н⁺

Сократив на Н⁺, получим ионное уравнение с необходи­мыми стехиометрическими коэффициентами:

Cr₂O₇^2- + 8Н⁺ + 3H₂S = 2Cr³⁺ + 3S+ 7Н₂O

Для перехода к молекулярному уравнению следует по­ступать так: в левой части уравнения к каждому числу анионов приписывают соответствующее число катионов, а к катиону - анионов. Затем такие же ионы и в том же количестве записы­вают в правой части уравнения, после чего ионы объединяют в молекулы:

Cr₂O₇^2- + 8Н⁺ + 3H₂S = 2Cr³⁺ + 3S+ 7Н₂O

2К⁺, 4SO₄^2- 4SO₄^2-, 2К⁺

К₂Сr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3H₂S = Cr₂(SO₄)₃ + 3S + K₂SO₄ + 7H₂O

Особые случаи составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Чтобы без затруднений составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций, следует иметь в виду не­которые общие случаи:

1. Если суммарное число электронов, отданное восстановителем (принятых окислителем), нечетно, а в результате реакции получается четное число атомов (хотя бы одного из элементов), то коэффициенты удваиваются. Например, в реакции

MnMnO₄^- + 8Н⁺ + 5 = Mn²⁺ + 4Н₂O 1 2

I - 1=I⁰ 5 10

2МnO₄^- + 16Н⁺ + 10I^- = 2Мn²⁺ + 8Н₂O +10I⁰

В этой реакции окислителем является ион МnO^-₄ (=1,54В),а восстановителем - ион I^-(=0,54В).

2. В ряде случаев окислитель (восстановитель) расходуется дополнительно на связывание образующихся в результате реакции ионов, как, например, в реакции:

КМnO₄ + НСl → Сl₂ + МnCl₂ + Н₂О + КСl

МnO₄^- + 8Н⁺ + 5= Mn²⁺ + 4Н₂O 1 2

Сl^--= С1⁰ 5 10

2МnO₄^- + 16Н⁺ + 10Cl^- = 2Мn²⁺ + 8Н₂O +5Сl₂

2К⁺, 6Cl^- 2К⁺, 6Сl^-

В этой реакции 10молекулНClреагируют как восстано­витель(= 1,35 В)и еще6расходуются на связывание получающихся катионов калия и марганца (образование солей). В процессе восстановления иона-окислителяМnO₄^-участвует5.

Получаем суммарное молекулярное уравнение:

2КМnO₄ + 10НCl + 6НСl = 5Сl₂ + 2МnCl₂ + 8Н₂O + КСl

или

2KMnO₄ + 16НСl = 5С1₂ + 2МnCl₂ + 8Н₂O + 2КСl