Влияние среды на характер реакций

Протекание окислительно-восстановительной реакции зависит от реакции среды. Для создания в растворе кислой среды чаще всего пользуются серной кислотой, для создания щелочной среды служит обычно NaOH или КОН. Вещество, при помощи которого создается среда не всегда входит в окончательное уравнение реакции. В зависимости от среды может меняться и характер протекания процесса между одними и теми же реагентами. Известно, например, что перманганат калия в зависимости от характера среды может восстанавливаться до различных продуктов:

+7

MnO₄^  Mn²⁺ (в кислой среде),

+7 +4

MnO₄^  MnО₂ (в нейтральной или слабощелочной среде),

+7 +6

MnO₄^  MnО₄^2 (в сильнощелочной среде).

Из этих схем видно, что наибольшую окислительную активность ион MnO₄^ проявляет в кислой среде, меньшую – в нейтральной и слабощелочной и минимальную – в сильнощелочной.

Метод полуреакций (электронно-ионный метод)

По этому методу для удобства окисление и восстановление необходимо рассматривать как самостоятельные процессы, каждый из которых отражает половину полного уравнения реакции. Отсюда и название «полуреакция».

Для примера рассмотрим реакцию, которая протекает при взаимодействии перманганата калия с нитритом калия в кислой среде. Процесс уравнивания уравнений окислительно-восстановительных реакций электронно-ионным методом включает следующие шаги:

1. Составим полную ионную схему реакции. При этом сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы в виде молекул:

КMnO₄ + KNO₂ + H₂SO₄  MnSO₄ + KNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

K⁺+MnO₄^- +K⁺ +NO₂^- +2H⁺ + SO₄^2-  Mn²⁺ +SO₄^2- + K⁺ + NO₃^- + 2K⁺ + SO₄^2- + H₂O

2. Составим сокращенную ионную схему реакции, в которой указывают только те ионы, которые реально участвуют в окислении и восстановлении. Определяют окислитель и восстановитель:

MnO₄^- + NO₂^- + H⁺  Mn²⁺ + NO₃^- + H₂O

окислитель восстановитель

3. Составим электронно-ионное уравнение для каждой полуреакции. При этом руководствуются следующими правилами:

а) избыточный кислород в кислой среде связывается ионами водорода с образованием молекулы воды;

б) избыточный кислород в нейтральной или щелочной среде взаимодействует с водой с образованием удвоенного числа гидроксильных групп.

Первая полуреакция:

MnO₄^-  Mn²⁺

Избыточный в левой части уравнения кислород следует связать ионами водорода, так как реакция протекает в кислой среде:

MnO₄^- + 8Н⁺  Mn²⁺ + 4 H₂O

Далее необходимо выполнить закон электронейтральности – суммарное число зарядов продуктов реакции должно быть равно суммарному числу зарядов исходных веществ.

Сумма зарядов продуктов реакции равна 2+ ( заряд иона марганца Mn²⁺). Этому же количеству зарядов должна быть равна и сумма зарядов исходных веществ, т. е. слева в уравнение нужно прибавить 5ē:

MnO₄^- + 8Н⁺ + 5ē  Mn²⁺ + 4 H₂O

Вторая полуреакция:

NO₂^-  NO₃^-

Избыточный в правой части уравнения кислород необходимо связать ионами водорода. При этом для сохранения баланса вещества в левой части уравнения следует подставить одну молекулу воды:

NO₂^- + H₂O  NO₃^- + 2Н⁺

При соблюдении равенства зарядов правой и левой частей уравнения схема принимает следующий вид:

NO₂^- + H₂O - 2ē  NO₃^- + 2Н⁺

4. Уравниваем числа электронов, участвующих в полуреакциях. Для этого уравнение каждой полуреакции умножают на такой множитель, чтобы число электронов, участвующих в процессе восстановления было равно числу электронов, участвующих в процессе окисления. Уравнения полуреакции суммируют и получают полное ионное уравнение реакции:

MnO₄^- + 8Н⁺ + 5 ē  Mn²⁺ + 4 H₂O 2

NO₂^- + H₂O - 2 ē  NO₃^- + 2Н⁺ 5

2 MnO₄^- + 16Н⁺ + 10 ē + 5NO₂^- + 5H₂O - 10 ē  2Mn²⁺ + 8H₂O + 5NO₃^- +10Н⁺

5. Произведём возможные упрощения (приведение подобных членов):

2 MnO₄^- + 6Н⁺ + 5 NO₂^-  2Mn²⁺ + 3H₂O + 5NO₃^-

6. Составим уравнение в молекулярном виде. Для этого нужно приписать в правую и левую части уравнения недостающие ионы в одинаковом числе:

2КMnO₄ + 5KNO₂ + H₂SO₄  2MnSO₄ + 5KNO₃ + K₂SO₄ + 3H₂O

Метод полуреакций более универсален и имеет несомненные преимущества по сравнению с методом электронного баланса при составлении уравнений реакций с участием, в частности, органических соединений, пероксида водорода, некоторых соединений серы и т. д.

Рассмотрим, например, процесс окисления этилена, происходящий при пропускании его через раствор перманганата калия в слабощелочной среде:

1. Перманганат калия восстанавливается до оксида марганца (IV):

MnO₄^  MnO₂

MnO₄^ + 2Н₂О  MnO₂ + 4ОН^

MnO₄^ + 2Н₂О + 3ē  MnO₂ + 4ОН^

2. Этилен под действием водного раствора КMnO₄ окисляется с образованием этиленгликоля ОНСН₂СН₂ОН:

С₂Н₄  С₂Н₆О₂

С₂Н₄ + 2ОН^  С₂Н₆О₂

С₂Н₄ + 2ОН^ - 2ē  С₂Н₆О₂

3. Умножая уравнения полуреакций окисления и восстановления на соответствующие коэффициенты и складывая, получим полное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции:

MnO₄^ + 2Н₂О + 3ē  MnO₂ + 4ОН^ 2

С₂Н₄ + 2ОН^ - 2ē  С₂Н₆О₂ 3

2MnO₄^ + 4Н₂О + 3С₂Н₄ + 6ОН^  2MnO₂ + 8ОН^ + 3С₂Н₆О₂

4. Производим необходимые сокращения:

2MnO₄^ + 4Н₂О + 3С₂Н₄  2MnO₂ + 3С₂Н₆О₂ + 2ОН^

5. Записываем уравнение в молекулярном виде:

2КMnO₄ + 3С₂Н₄ + 4Н₂О  2MnO₂ + 3С₂Н₆О₂ + 2КОН