Способы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

Применяется два метода составления уравнений окислительно-восстановительных реакций: электронного баланса и электронно-ионный (метод полуреакций ).

Метод электронного баланса

Этот метод основан на сравнении степеней окисления атомов, входящих в состав исходных и конечных веществ. Метод, в основном, применяется для составления уравнений реакций, идущих вне растворов.

Например:

1. Составляем схему реакции:

FeS₂ + O₂  Fe₂O₃ + SO_{2 .}

2. Определяем элементы, изменяющие степени окисления.

3. Составляем схему электронного баланса:

4 Fe ⁺² ­- 1 e = Fe ⁺³

4 2S^-1 - 10 e = 2S⁺⁴

11 O₂ + 4e = 2 О^-2

4. В уравнении записываем коэффициенты у окислителя и восстановителя:

4 Fe S₂ + 11O₂ = 2 Fe₂ O₃ + 8 SO₂ .

+7 +4 +4 +6

2KМnO₄+3Na₂SO₃+Н₂O 2MnO₂+3Na₂SO₄+К₂SO₄ +2КОН

2 Мne ⁺² +3е  Mn⁺⁴

3 Se ⁺⁴ – 2е  Sе ⁺⁶

Недостатком метода является то, что баланс не отражает изменений, происходящих с атомами и молекулами в ходе реакции, а также трудности, возникающие при определении продуктов достаточно сложных реакции.

Электронно-ионный метод

Этот метод основан на составлении электронно-ионных уравнений для процессов и окисления, и восстановления с последующим суммированием их в общее ионное уравнение.

При составлении уравнений реакций соблюдается следующая последовательность:

• Записывается схема полуреакций, при этом сильные электролиты пишутся в виде ионов, а слабые - в виде молекул. Продукты реакции определяются на основании опыта или исходя из знания химии элементов, т.е. устойчивых степеней окисления.

• Если исходное вещество содержит больше кислорода, чем продукт реакции, то избыточный кислород связывается в кислой среде ионами Н⁺, а в нейтральных и щелочных средах - молекулами воды.

• Если исходное вещество содержит меньше кислорода, чем продукт реакции, то недостаток кислорода восполняется в кислой и нейтральной средах за счет молекул воды, а в щелочных средах - за счет ионов гидроксила.

• Следует помнить, что суммарные числа и знак зарядов ионов справа и слева от знака равенства должны быть равны.

• Правильность составления реакции проверяем по кислороду.

В качестве примера рассмотрим следующую реакцию:

+7 +4

KМnO₄ + Na₂SO₃ + H₂ SO₄ 

KМnO₄ - является окислителем, так как центральный атом (Mn) находится в высшей степени окисления (+7 ), Na₂SO₃ содержит центральный атом ( S) в степени окисления +4, это средняя степень, поэтому ион SO₃^{2 -} может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, однако в данной реакции окислитель KМnO_4, следовательно, Na₂SO₃ – восстановитель.

Восстановление иона МnO₄^¯ в кислой среде идет до Мn²⁺ , окисление иона SO₃^{2 -} − до SO₄^{2 -}.

Учитывая сказанное, можно записать схему полуреакций :

МnO₄ ^¯  Мn²⁺

SO₃^{2 -}  SO₄^{2 -}

Следующий этап – составление уравнений полуреакций. Уравнивание в кислой среде производится с использованием ионов Н⁺ и молекул Н₂О.

2 МnO₄ ^¯ + 8Н⁺ + 5е  Мn²⁺ + 4Н₂О

5 SO₃^{2 -} + Н₂О – 2е  SO₄^{2 -} + 2Н⁺

2 МnO₄^¯ +16Н⁺ +5SO₃^{2 -} +5Н₂О2Мn²⁺+8Н₂О+5SO₄^2- + 10Н⁺ 6 3 Записываем итоговое уравнение полуреакции, проставляя множители (как и в методе электронного баланса). После этого складываем левые и правые части уравнений полуреакций, умножая их предварительно на соответствующие множители, и получаем общее ионное уравнение реакции. Если в левой и правой части уравнения есть одинаковые молекулы или ионы, их требуется сократить с учетом коэффициентов (помните, что ионы Н⁺ и ОН^¯ при сложении Н₂О).

Для получения молекулярного уравнения реакции ко всем ионам добавляем ионы противоположного знака:

2KМnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3Н₂SO₄ 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄+ К₂SO₄ + 3Н₂О

Рассмотрим эту реакцию в щелочной среде.

В щелочной среде ион МnO₄^¯ будет восстанавливаться до МnO₄ ^2-. В отличие от кислой среды в щелочной среде при составлении электронно-ионных уравнений используются ионы OН^¯ и молекулы Н₂О.

+7 +4 +6 +6

2KМnO₄ + Na₂SO₃ +2КОНК₂MnO₄ + Na₂SO₄+Н₂О

Производим все описанные выше действия и получаем ионное уравнение:

2 МnO₄ ^¯ + е  МnO₄ ^2-

1 SO₃^{2 -} + 2ОН^¯ – 2е  SO₄^{2 -} + Н₂О

2МnO₄ ^¯ +5SO₃^{2 -} + 2ОН^¯  2 МnO₄^2- + SO₄^{2 -} + Н₂О

В нейтральной среде ион МnO₄ ^¯ будет восстанавливаться до МnO₂, уравнивание кислорода производится только молекулами Н₂О.

+7 +4 +4 +6

2KМnO₄+3Na₂SO₃+Н₂O 2MnO₂+3Na₂SO₄+К₂SO₄ +2КОН

2 МnO₄ ^¯ + 2 Н₂О +3е  MnO₂ + 4ОН^¯

3 SO₃^{2 -} + Н₂О – 2е  SO₄^{2 -} + 2Н⁺

2МnO₄ ^¯ + 4Н₂О +3SO₃^{2 -} +3Н₂О2MnO₂+3SO₄^{2 -} +8ОН^¯ + 6 Н⁺

2 ОН^¯ + 6 Н₂О

Окислительно-восстановительные реакции можно разделять на следующие типы:

1. Межмолекулярные – степени окисления меняют разные элементы, входящие в состав разных веществ:

Н₂ + С1₂ = 2НС1

1	0 +1 H2 – 2 ē = 2H
1	0 -1 Cl2 + 2 ē = 2Cl

2. Внутримолекулярные – степень окисления меняют разные элементы, входящие в состав одного вещества:

_{+5 -2 -1 0}

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

2	+5 -1 Cl + 6 ē = Cl
3	-2 0 2O - 4 ē = O2

3. Реакции диспропорционирования (самоокисления – самовосстановления) − в таких реакциях одинаковые частицы являются окислителем и восстановителем:

_{0 -1 +1}

С1₂ +Н₂О = НСl + НСlО

1	0 -1 Cl + 1 ē = Cl
1	0 +1 Cl − 1 ē + Н2О = ClО- + Н+

Задание 4Таблица 4

№ варианта	Закончите окислительно - восстановительные реакции
1	KClO3 + NaNO2 +H2SO4→Cl2 + NaNO2 +K2SO4 +H2O CO+KMnO4+H2SO4→CO2+MnSO4+K2SO4+H2O J2+NaOH→NaJ+NaNO3+H2O
2	KJ+H2O2+H2SO4→J2+K2SO4+H2O KJ+Cl2→KCl+J2 FeCl2+KMnO4+HCl→FeCl3+Cl2+KCl
3	ClO2+KOH→KClO2+KClO3+H2O PbO2+Mn(NO3)2+HNO3→HMnO4+Pb(NO3)2+H2O KJ+Cl2→KCl+J2
4	KClO3 + NaNO2→KCl + NaNO3 S+NaOH→Na2S+Na2SO3 FeSO4+KClO3+H2SO4→Fe2(SO4)3+KCl+K2SO4+ H2O
5	H2S+KMnO4+H2SO4→S+MnSO4+K2SO4+H2О J2+NaOH→NaJ+NaJO3+H2O FeCl2+KMnO4+HCl→FeCl3+Cl2+MnCl2+KCl+H2O
6	Na2S +Na2SO3 +H2SO4→S+Na2SO4+H2O J2+NaOH→NaJ+NaJO3+H2O S+KOH→K2S+K2SO3+H2O
7	KMnSO4+Na2SO3 +H2SO4→MnSO4+Na2SO4+K2SO4+H2О KJ+Cl2→KCl+J2 (NH4)2Cr2O7→N2+Cr2O3+H2O
8	KClO3 + NaNO2 +H2SO4→Cl2 + NaNO3 +K2SO4 +H2O S+KOH→K2S+K2SO3+H2O H2S + Cl2→HCl+S
9	K2SO3 +KMnO4 + H2SO4→MnSO4+Na2SO4+K2SO4+H2О KJ+Cl2→KCl+J2 Cl2+KOH→KCl+KClO3+H2O
10	H2SeO3+KMnO4+H2SO4→H2SeO4+MnSO4+K2SO4+H2O Cl2+H2O→HClO+HCl K2MnO4+H2О→KMnO4+MnO2+KOH
11	KClO3 + NaNO2 +H2O→Cl2 +NaNO3 +KOH S+KOH→K2S+K2SO3+H2O (NH4)2Cr2O7→N2+Cr2O3+H2O
12	CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu Cu + HNO3 (p) → Cu(NO3)2 + NO + H2O Cl2+H2O→HClO+HCl
13	(NH4)2Cr2O7→N2+Cr2O3+H2O J2+KOH→KJ+KNO3+H2O KJ+Cl2→KCl+J2
14	K2SO3 +KMnO4 + H2SO4→MnSO4+Na2SO4+K2SO4+H2О Cu + HNO3 (p) → Cu(NO3)2 + NO + H2O S+KOH→K2SO3+K2S+H2O
15	Zn + HCl → ZnCl2 + H2 K2MnO4+H2O→KMnO4+MnO2+KOH KJ+Cl2→KCl+J2
16	J2+NaOH→NaJ+NaNO3+H2O FeCl2+KMnO4+HCl→FeCl3+Cl2+MnCl2+KCl+H2O NH3+Br2→N2+HBr
17	KClO3 + NaNO2 +H2O→Cl2 +NaNO3 +KOH KJ+Cl2→KCl+J2 S+KOH→K2SO3+K2S+H2O
18	KJ+KJO3+H2SO4→J2+K2SO4+H2O NH3+Br2→N2+HBr Cl2+NaOH→NaCl+NaClO3+H2O
19	KClO3 + NaNO2 +H2SO4→Cl2 + NaNO3 +K2SO4 +H2O S+KOH→K2SO3+K2S+H2O (NH4)2Cr2O7→N2+Cr2O3+H2O
20	KJ+NaNO2+H2SO4→J2 +NO+K2SO4+Na2SO4+H2O K2MnO4+H2О→KMnO4+MnO2+KOH KJ+Cl2→KCl+J2

Задание 5

1. Опишите химическими реакциями механизм коррозии на воздухе.

2. Составьте уравнения реакций

3. С какими из перечисленных веществ будут взаимодействовать указанные металлы? Напишите соответствующее уравнение реакций металла с растворами H₂SO_4конц, H₂SO_4разб, NaOH, H₂O, HNO_3разб, HNO_3конц.

4. A) Опишите работу гальванического элемента, в котором данный металл является: а) анодом, б) катодом; укажите реакции, происходящие на аноде и катоде; рассчитайте ЭДС (по стандартным электродным потенциалам). Б) Какие реакции происходят на аноде и катоде при электролизе водного раствора, в котором содержатся три соли?

Задание 5

Таблица 3

Номерварианта	Задание 1	Задание 2	Задание 3	Задание 4
				А		Б
1	Al/Cu	Mg + NH4Cl + H2O→ Hg + HNO3 →	Fe, Be	Ni		Fe(NO3)3, NaNO3
2	Fe/Zn	Ni + HNO3 → Al + Na3PO4 + H2O→	Cu, Zn	Fe		Na2CO3, Mg(NO3)2
3	Al/Mg	Al + NaOH + H2O → Zn + H2SO4конц →	Cr, Cu	Pb		Pb(NO3)2, NH4Cl
4	Ni/Co	Zn + NaOH + H2O → Ni + H2SO4конц→	Mg, Cu	Zn		NaNO3 KCl
5	Cu/Ag	Cu + HNO3раз → Al + NH4Cl + H2O →	Al, Sn	Cu		KJ MnSO4
6	Cu/Al	Ag + HNO3конц → Zn + Cu SO4→	Cu, Al	Cо		Cu(NO3)2, NaCl
7	Co/Fe	Fе+(NH4)2SO4 +H2O→ Cu + H2SO4конц →	Sn, Cu	Аl		KNO3, Na2SO4
8	Pb/Mg	Fe + HClконц → Zn + K2CO3 + H2O →	Ca, Cu	Cd		FeCl3, AgNO3
9	Ag/Cr	Fe + HNO3конц → Al + Na3PO4 + H2O →	Mg, Al	Cr		Cd(NO3)2, NaNO2
10	Mg/Sn	Pb + CH3COOH → Zn + HNO3разб →	Ag, Zn	Sn		CuSO4, NaNO3
11	Mn/Cu	Mg + H2SO4конц → Zn + NH4Cl + H2O →	Fe, Ag	Mg		KNO3, Na3PO4
12	Au/Ni	Al + Na2CO3 + H2O → Ag + HNO3 →	Mg, Cu	Mn |		CaCl2, CuSO4
13	Ag/Fe	Ca + H2SO4конц→ Fe + HClразб →	Ca, Ag	Zn		NaCl, Ni(NO3)2
14	Sn/Cr	Ni + HNO3 → Zn+ K3PO4 + H2O →	Al, Cd	Fe		Fe(NO3)2, Ag NO3
15	Zn/Co	Al + H2SO4 → Hg + HNO3 →	Mg, Ag	Sn	AgNO3, KJ
16	Mg/Mn	Fe + H2SO4разб → Pb + HNO3 →	Al, Cu	Ni	NiCl2, NaNO3
17	Cr/Cu	Zn + NaOH + H2O → Ni + H2SO4конц →	Pb, Zn,	Co	CdCl2, LiNO3
18	Cd/Pb	Mg + H2SO4конц → Zn + NH4Cl + H2O →	Cr, Ag	Cd	MgCl2, CuSO4

19	Co/Mg	Mg + NH4Cl + H2O → Hg + HNO3 →	Cu, Zn	Mn	CuSO4, NaCl,
20	Ag/Fe	Mg + H2SO4конц → Zn + NH4Cl + H2O →	Al, Ca	Cu	CuSO4, NaBr

Задание 6

Таблица 4

Номер варианта	Осуществите превращения, найдите продукты реакции
1
2
3
4
5
6
7

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

8