3.3. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций электронно-ионным методом, или методом полуреакций

Для составления ОВ-реакций используются два метода: метод электронного баланса и электронно-ионный метод. Метод электронного баланса рекомендуется для уравнива­ния ОВ-реакций, протекающих в газовой или твердой фа­зах. Для составления ОВ-реакций, протекающих в водных растворах, применяется электронно-ионный метод. В дан­ном учебном пособии он и рассматривается.

При электронно-ионном методе составляют две полуре­акции. Одна из них - это окисление восстановителя, дру­гая — восстановление окислителя. Эти две полуреакции суммируют в общее уравнение. В этом методе степени окисления элементов в составе соединений не определя­ют. Электронно-ионный метод характеризует процессы, которые происходят в условиях протекания реакции. В растворе нет ионов S⁺⁴, S⁶⁺, Mn⁷⁺, но есть ионы SO^2-₃, SO^2-₄, МnО^-₄ . Слабые электролиты, газы и практически нерас­творимые вещества записывают в молекулярном виде.

При составлении ионного уравнения для каждой полу­реакции надо учитывать количество атомов кислорода и водорода в исходных веществах и продуктах реакции. Ба­ланс атомов О и Н в ОВ-реакциях, протекающих в различ­ных средах, показан в табл. 3.2.

При протекании реакции в кислой среде в полуреакции могут быть только молекулы воды и Н⁺ - ионы; в щелочной среде — только молекулы воды и ОН^- - ионы; в нейтральной — только молекулы воды.

Таблица 3.2. Баланс атомов кислорода и водорода в окислительно-восстановительных реакциях

Левая часть полуреакции	Среда	В левую часть добавить на 1 атом 0	В правую часть добавить
Недостаток O Избыток O	pH ≤ 7 рН > 7 рН < 7 рН ≥ 7	Н2О 2ОН- 2Н+ Н2О	2Н+ Н2O Н2O 2ОН-

Рассмотрим несколько примеров составления уравне­ний ОВ-реакций с помощью электронно-ионного метода.

Пример 1 (кислая среда):

Na₂SO₃ + КМnО₄ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

В ионной форме:

2Na⁺ + SO^2-₃ +К⁺ + MnO^-₄ + 2H⁺ + SO^2-₄ → 2Na⁺ + SO^2-₄+ 2К⁺+ SO^2-₄ +H₂O.

Из схемы реакции видно, что в окислении-восстановлении участвуют ионы:

SO^2-₃ + МnО^-₄ + 2Н⁺ → SO^2-₄ + Mn²⁺ + Н₂О;

SO^2-₃ → SO^2-₄ - процесс окисления;

MnO^-₄ → Mn²⁺ - процесс восстановления.

Составим ионные уравнения для каждой полуреакции, учитывая число атомов кислорода и водорода (см. табл. 3.2). Число атомов элементов в левой и правой частях уравне­ния должно быть одинаково:

SO^2-₃ + Н₂O → SO^2-₄ + 2H⁺;

МnО^-₄ + 8Н⁺ → Мn²⁺ + 4Н₂О.

Составим электронные уравнения для каждой полуре­акции, учитывая, что суммарный заряд в левой части уравнения должен быть равен суммарному заряду в пра­вой части уравнения:

SO^2-₃ + Н₂О - 2 ē = SO^2-₄ + 2H⁺;

МnО^-₄ + 8Н⁺ + 5 ē = Мn²⁺ + 4Н₂О.

Общее число электронов, отдаваемых восстановителем, должно быть равно числу электронов, присоединяемых окислителем. Находим наименьшее общее кратное, на ко­торое делятся 2 и 5. Оно равно 10. Находим коэффициен­ты для восстановителя и окислителя:

SO^2-₃ + Н₂О - 2 ē = SO^2-₄ + 2Н⁺ 5

10

МnО^-₄ + 8Н⁺ + 5 ē = Мn²⁺ + 4Н₂О 2

Суммируем электронно-ионные уравнения, предвари­тельно умноженные на коэффициенты:

5 SO^2-₃ + 5Н₂О + 2MnO^-₄ + 16H⁺ = 5 SO^2-₄ + 10Н⁺ + 2Мn²⁺ + 8Н₂О.

Сократив подобные члены, получим ионное уравнение

5 SO^2-₃ + 2МnО^-₄ + 6Н⁺ = 5 SO^2-₄ + 2 Мn²⁺ + ЗН₂О,

по которому составляют молекулярное уравнение реакции. Для этого к каждому аниону приписывают соответствующий катион, а к каждому катиону - соответствующий анион:

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O.

Пример 2 (щелочная среда):

Na₂SO₃ + KMnO₄ + КОН → Na₂SO₄ + K₂MnO₄ + Н₂О;

2Na⁺ + SO^2-₃ + К⁺ + МnО^-₄ + К⁺ + ОН^- → 2Na⁺ + →+

+ 2К⁺ + MnO^2-₄ + Н₂О

или SO^2-₃ + MnO^-₄ + ОН^- → SO^2-₄ + MnO^2-₄+ Н₂О;

SO^2-₃ → SO^2-₄ - процесс окисления;

MnO^-₄ → MnO^2-₄ - процесс восстановления.

Полуреакции:

SO^2-₃ + 2ОН^- - 2ē = SO^2-₄ + Н₂О 1

2

MnO^-₄ + ē = MnO^2-₄ 2

SO^2-₃ + 2 OH^- + 2 MnO^-₄ = SO^2-₄ + Н₂О + 2 MnO^-₄.

Молекулярное уравнение реакции:

Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 2KOH = Na₂SO₄ + 2K₂MnO₄ + H₂O.

Пример З (нейтральная среда):

Na₂SO₃ + KMnO₄ → Na₂SO₄ + MnO₂↓ + ... .

SO^2-₃ → SO^2-₄ - процесс окисления;

MnO^-₄ → MnO₂ - процесс восстановления.

Полуреакции:

SO^2-₃ + Н₂О - 2 ē = SO^2-₄ + 2Н⁺ 3

6

MnO^-₄ + 2Н₂О + 3 ē = MnO₂ + 4ОН^- 2

3 SO^2-₃ MnO^-₄ + 7 Н₂О = 3 SO^2-₄ + 2 MnO₂ + 6H⁺ + 8 OH^-.

6 H₂O + 2 OH^-

Сокращенное ионное уравнение:

3 SO^2-₃ + 2MnO^-₄ + H₂O = 3 SO^2-₄ + 2MnO2↓ + 2OH^-.

Молекулярное уравнение реакции:

3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O = 3Na₂SO₄ + 2MnO₂↓ + 2KOH.