6.2. Определение коэффициентов уравнений окислительно-восстановительных реакций методом ионно-электронного баланса

Используя метод электронного баланса, можно определить коэффициенты в уравнении ОВ реакций при окислителе, восстановителе, восстановленной и окисленной формах. Однако, недостатком этого методаявляется формальное понятие атомного иона и степени его окисления и игнорирование существования в растворах реальных многоатомных ионов, умалчивание механизма протекания химических превращений.

В методе ионно-электронных уравнений используются только реально существующие ионы, а труднорастворимые соединения, малодиссоциирующие электролиты и газообразные вещества записываются в молекулярной форме (из-за этого встречается название «метод молекулярно-ионных уравнений»). Это позволяет определить коэффициенты не только у окислителя и восстановителя. Ионно-электронные схемы удобно применять для реакций с участием веществ, в которых трудно определить степени окисления элементов, например, KCNS.

Ионно-электронные схемы составляются по разному в зависимости от характера среды.

1. Реакции в кислой среде

Если ОВ реакция идет в среде, содержащей сильную кислоту, то в полуреакциях рационально использовать ионы водорода и молекулы воды.

Если у соединения нужно отнять атом кислорода, то его связывают ионами водорода в молекулу воды:

ЭО_n + 2Н⁺  ЭО_n-1 + H₂O,

а если нужно добавить атом кислорода, то его «отбирают» у молекулы воды, при этом высвобождаются два иона водорода:

ЭО_n + H₂O  ЭО_n+1 + 2Н⁺.

Следует отметить, что эти схемы иллюстрируют лишь переход кислорода, но не отражает баланс зарядов в левой и правой частях полуреакций.

Пример 30. При окислении сульфита натрия азотной кислотой образуется сульфат натрия и оксид азота (II):

Na₂SO₃ + HNO₃  Na₂SO₄ + NO +… .

Составить уравнение реакции.

Решение

Составляем схемы перехода электронов:

После приведения подобных слагаемых в данном уравнении уравнение реакции примет вид:

3Na₂SO₃ + 2HNO₃ = 3Na₂SO₄ + 2NO + H₂O.

2. Реакции в щелочной среде

В этом случае в ионно-электронных полуреакциях целесообразно применять только гидроксид-ионы и молекулы воды.

Если у соединения нужно отнять атом кислорода, то добавляют молекулу воды и освобождаются два гидроксид-иона ОН^:

ЭО_n + H₂O  ЭО_n-1 + 2OН^.

Если нужно добавить атом кислорода, то добавляют 2 иона OН^ и получают молекулу воды

ЭО_n + 2OН^  ЭО_n+1 + H₂O .

Пример 31. При окислении сульфата железа (II) пероксидом водорода в среде КОН получают гидроксид железа (III) и сульфат калия:

FeSO₄ + H₂O₂ + KOH  Fe(OH)₃ + K₂SO₄.

Составить уравнение реакции.

Решение

Ионно-электронные схемы таковы:

[Fe²⁺ + 3OH^ – e = Fe(OH)₃]2

[H₂O₂ + 2e = 2OН^]1

2 Fe²⁺ + 6OH^ + H₂O₂ = 2Fe(OH)₃ + 2OН^,

2Fe²⁺ + 4OH^ + H₂O₂ = 2Fe(OH)₃.

Окончательно уравнение реакции принимает вид:

2FeSO₄ + H₂O₂ + 4KOH = 2Fe(OH)₃ + 2K₂SO₄.

Пример 32. При окислении серы в среде NaOH гипохлоритом натрия получают сульфат натрия и хлорид натрия:

S + NaClO + NaOH  Na₂SO₄ + NaCl + … .

Составить уравнение реакции.

Решение

Ионно-электронные схемы такие:

[S + 8OН^ – 6e = + 4H₂O]1

[ClO^ + H₂O +2e = Cl^ + 2OH^]3

S + 3ClO^ +2OH^ = + 3Cl^ + H₂O.

Окончательно уравнение реакции принимает вид

S + 3NaClO + 2NaOH = Na₂SO₄ + 3NaCl + H₂O.

3. Реакции в нейтральной среде

В этом случае в ионно-электронных схемах в левую часть полуреакций надо добавлять только воду.

При этом, если нужно отнять кислород, то добавляют молекулу воды и получают два гидроксид-иона:

ЭО_n + H₂O  ЭО_n-1 + 2OН^,

а если нужно добавить кислород, то добавляют тоже молекулу воды и получают два иона водорода:

ЭО_n + H₂O  ЭО_n+1 + 2Н⁺.

В правой части, если есть и ионы водорода, и гидроксид-ионы, то они образуют воду.

Пример 33. При окислении сульфита натрия перманганатом калия получают сульфат натрия и оксид марганца (IV):

Na₂SO₃ + KMnO₄ = Na₂SO₄ + MnO₂ + … .

Составить уравнение реакции.

Решение

Ионно-электронные схемы такие:

[ + H₂O – 2е = + 2Н⁺]3

[ + 2H₂O +3е = + 4OН^]2

3 + 2 + 3H₂O + 4H₂O = 3 + 2 + 6Н⁺ + 8OН^.

После приведения подобных слагаемых получаем уравнение в ионно-молеку­лярной форме

3 + 2 + H₂O = 3 + 2 + 2OН^.

Окончательно уравнение реакции принимает вид:

3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O = 3Na₂SO₄ + 2MnO₂ + 2КOН.