2.1. Метод электронного баланса

В этом методе подсчет числа принятых и отданных электронов производится на основании значений степеней окисления элементов до, и после реакции.

Порядок нахождения коэффициентов в ОВР методом электронного баланса можно видеть из следующего примера. Пусть взаимодействует бромистый водород HBr с концентрированной серной кислотой. В результате взаимодействия образуется свободный бром Br₂ и сернистый газ SO₂. Подбор коэффициентов осуществляется в несколько этапов:

а) записывают схему ОВР в молекулярной форме:

;

б) определяют степень окисления элементов до и после реакции. Величину степени окисления записывают над символами, знак заряда указывают перед цифрой;

в) определяют, какие из элементов изменили степени окисления (в этой реакции бром и сера);

г) находят восстановитель и окислитель, рассуждая таким образом: ион брома, имевший окислительное число -1, перешел в нейтральный атом (приобрел окислительное число, равное нулю). Следовательно, ион брома потерял один электрон и является восстановителем, при этом он окислился. Окислительное число серы понизилось с +6 до +4, значит, сера S⁺⁶ в ионе SO₄^2– присоединила 2 электрона и является окислителем, при этом она восстановилась;

д) записывают имевшее место в ходе реакции перемещение электронов в виде электронных уравнений, уравнивая число атомов слева и справа уравнений:

2Br¯ – 2ē = Brº2	процесс окисления
+ 2 ē =	процесс восстановления ;

е) поскольку количество электронов отданных восстановителем и приобретенных окислителем, должно быть одинаковым, то подбираются множители для окислителя и восстановителя с тем расчетом, чтобы соблюдать это равенство. Для этого справа проводят вертикальную черту, пишут за ней соответствующие множители:

2Br- – 2e = Brº2	1
+ 2 ē =	1

Из баланса вытекает вывод, что на каждый атом серы должно приходиться два иона Br^–. Следовательно, с одной молекулой H₂SO₄ реагируют две молекулы HBr. Эти цифры проставляются перед соответствующими молекулами как коэффициенты:

2HBr + H₂SO₄ → Br₂ + SO₂ + 2H₂O;

ж) далее, сравнивая левую и правую части схемы реакции, замечаем, что в левой части рассматриваемого примера имеется 4 атома водорода и 2 атома кислорода, которых недостает в правой части схемы. Очевидно, что в результате реакций образуется еще 2 молекулы воды;

и) составляется уравнение реакции в окончательном виде. Стрелку можно заменить на знак равенства:

2HBr + H₂SO₄ = Br₂ + SO₂ + 2H₂O;

к) проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атомов кислорода и водорода в обеих частях уравнения.

Рассмотренный выше пример относится к числу простейших. При определении же коэффициентов ОВР, которые характеризуются наличием молекул кислот, оснований или воды в левой части уравнения (см. 1.4.1), задача усложняется необходимостью нахождения коэффициента перед молекулами упомянутых веществ.

Рассмотрим пример подбора коэффициентов для следующей ОВР, протекающей с участием молекулы кислоты:

H₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ → S + K₂SO₄ + H₂O + MnSO₄

–2ē = S°	5 процесс окисления
+ 5ē =	2 процесс восстановления

5H₂S + 2KMnO₄ + H₂SO₄ → 5S + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Задача решается аналогично предыдущей до пункта «ж». Далее уравниваются числа атомов тех элементов, которые имеют постоянное окислительное число. Это касается щелочных и щелочноземельных металлов. В данной реакции число ионов калия в левой части реакции равно числу ионов калия в правой части реакции, поэтому дополнительные коэффициенты не вводятся.

Затем определяют коэффициент перед формулой кислоты.^*Для этого подсчитывают число кислотных остатков правой части уравнения (в данном примере три) и вычитают из него число таких же кислотных остатков, содер-жащихся в восстановителе или окислителе (в данном случае кислота не играет роли ни окислителя, ни восстановителя, поэтому оно равно нулю), и по разности 3 – 0 = 3 находят коэффициент для молекулы кислоты перед кислотой ставится коэффициент три.

В последующем определяют число молекул образовавшейся воды. Для этого подсчитывается число атомов водорода в левой части уравнения, в данной реакции их 16, отсюда следует, что образуется 8 молекул воды (на образование воды пошел кислород, освободившийся при восстановлении KMnO₄). Наконец, ставится коэффициент 8 перед водой и стрелка заменяется знаком равенства.

5H₂S + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5S + MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

Проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атомов кислорода в обеих частях уравнения.

Рассмотрим другой пример, когда в левой части уравнения имеется молекула основания.^**

NaСrO₂ + Br₂ + NaOH = Na₂CrO₄ + NaBr + H₂O

В щелочной среде подбор коэффициентов осуществляется так же, как это делалось выше, до пункта «ж».

NaO₂ + Br°₂ + NaOH → Na₂₄ + Na+ H₂O

–3ē =	2
Br2 +2ē = 2Br¯	3

2NaCrO₂ + 3Br₂ + 8NaOH – 2Na₂CrO₄ + 6NaBr + H₂O

Затем коэффициент перед молекулой основания находят как разницу между числом ионов металлов (в данном случае ионов Na⁺), входящих в состав молекулы щелочи, и числом тех же ионов (если таковые имеются), входящих в состав молекул восстановителя и окислителя. В данном примере этот коэффициент равен 10 – 2 = 8. Перед молекулой щелочи ставится найденный коэффициент. По числу атомов водорода в левой части уравнения находят коэффициент перед молекулой воды. В данном примере он равен 4. Все найденные коэффициенты расставляются, и стрелка заменяется знаком равенства.

Проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атомов кислорода в обеих частях уравнения.

Метод электронного баланса применим для любых ОВР, протекающих в растворах, расплавах, твердых системах гомогенного и гетерогенного характера, например, при сплавлении, обжиге, горении и т.д. Вследствие того, что понятия – «окислительное число» или «степень окисления» имеют формальный характер, то используемые при этом схемы также являются формальными и поэтому применительно к растворам не отражают реально протекающих в них процессов.

Метод неудобен для подсчета окислительного числа элементов в перекисных, органических, полисульфидных соединениях, в полииодидах, некоторых комплексных соединениях и т.д., написание структурных формул которых вызывает значительные затруднения.