2. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

В любом окислительно-восстановительном процессе общее количество электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, присоединённых окислителем. Это положение лежит в основе методов составления уравнений реакций окисления-восстановления: метода электронных уравнений (электронного баланса) и метода электронно-ионных уравнений (электронно-ионного баланса).

2.1. Метод электронных уравнений.

(задачи №№ 1 – 20)

Метод позволяет определить стехиометрические коэффициенты только четырёх участников окислительно- восстановительной реакции: окислителя и восстановителя, продуктов окисления и восстановления.

Первоначально записывается молекулярная схема реакции и определяется степень окисления атомов до и после реакции. Затем для атомов, степень окисления которых изменяется, записываются электронные уравнения окисления и восстановления, после чего по числу отдаваемых и присоединяемых электронов находятся коэффициенты для процессов окисления и восстановления. Наконец, производится суммирование электронных уравнений с учётом найденных коэффициентов, в результате чего получают уравнение окисления- восстановления атомов, из которого стехиометрические коэффициенты переносят в молекулярную схему реакции. На завершающем этапе уравнивают количество атомов, не фигурирующих в электронных уравнениях, и производят окончательную расстановку коэффициентов.

Пример 2.1.1. Составление уравнения реакции окисления-восстановления, протекающей по схеме: Al+H₂SO₄Al₂(SO₄)₃+H₂.

Определяем степень окисления атомов до и после реакции.

_{0 +1 +6 –2 +3 +6 –2 0}

Al+H₂SO₄Al₂(SO₄)₃+H₂.

Записываем электронные уравнения, определяем коэффициенты для процесса окисления и восстановления (слева от вертикальной черты), суммируем электронные уравнения с учётом найденных коэффициентов и записываем уравнение окисления- восстановления атомов.

	0 +3
1	Al=Al+3e - уравнение окисления восстановителя Al.
	+1 0 +1
3	H+e=H - уравнение восстановления окислителя Н.
	0 +1 +3 0
	Al+3H=Al+3H - уравнение окисления-восстановления.

Коэффициенты из уравнения окисления-восстановления атомов переносим в молекулярную схему: Al+1,5H₂SO₄0,5Al₂(SO₄)₃+1,5H₂

Т.к. в уравнениях реакций принято использовать целочисленные стехиометрические коэффициенты, произведём их удваивание и запишем новую схему реакции: 2Al+3H₂SO₄Al₂(SO₄)₃+3H₂. После проверки в записанной молекулярной схеме количества атомов, не участвующих в окислительно- восстановительном процессе (атомов S и O), приходим к выводу, что данная схема представляет собой уравнение реакции, которое и записываем в окончательном виде: 2Al+3H₂SO₄=Al₂(SO₄)₃+3H₂.

2.2. Метод электронно-ионных уравнений.

(задачи №№ 21 – 60)

Метод используется для составления уравнений реакций окисления-восстановления, протекающих в растворах. Отличительной особенностью данного метода является то, что уравнения окисления и восстановления составляются для процессов превращения частиц, реально существующих в растворе. Рассмотрим сущность метода электронно-ионных уравнений на примере конкретной реакции.

Пример 2.2.1. Составление уравнения реакции между дихроматом калия K₂Cr₂O₇ и нитритом натрия NaNO₂, протекающей в кислой среде.

Во-первых, записывается молекулярная схема реакции, в которой указываются все реагенты, а также продукты окисления и восстановления. В молекулярной схеме определяются степени окисления атомов до и после реакции и находятся атомы, изменяющие степень окисления (подчёркнуты).

_{+1 +6 -2 +1 +3 –2 +1 +6 –2 +3 +6 –2 +1 +5 -2}

K₂Cr₂O₇+NaNO₂+H₂SO₄Cr₂(SO₄)₃+NaNO₃+

Далее записывается ионно-молекулярная схема реакции. При этом используются те же правила, что и при записи ионно-молекулярных уравнений реакций ионного обмена, т.е. сильные электролиты записываются в виде ионов, слабые электролиты и неэлектролиты – в виде молекул.

2K⁺+ Cr₂O₇^2-+Na⁺+NO₂^-+2H⁺+SO₄^2-2Cr³⁺+3SO₄^2-+Na⁺+NO₃^-+

В ионно-молекулярной схеме обозначаются частицы (атомы, молекулы, ионы), в составе которых имеются атомы, изменяющие степень окисления (подчёркнуты). Для данных частиц составляются электронно-ионные уравнения окисления и восстановления, по которым определяются стехиометрические коэффициенты окислителя и восстановителя, продуктов окисления и восстановления (обозначены слева от вертикальной черты).

При составлении электронно-ионных уравнений вначале необходимо обеспечить равенство атомов. С этой целью в рассматриваемом примере для связывания атомов кислорода, высвобождающихся в процессе восстановления, в левую часть электронно-ионного уравнения вводятся ионы Н⁺ из расчёта 2 иона Н⁺ на каждый атом кислорода (в примере – 14 ионов Н⁺ на 7 атомов кислорода). В правой части электронно-ионного уравнения восстановления записывается эквивалентное количество молекул воды (в примере – 7 молекул Н₂О). Для компенсации недостатка атомов кислорода в процессе окисления в левую часть электронно-ионного уравнения этого процесса в рассматриваемом примере вводятся молекулы воды из расчёта 1 молекула Н₂О на каждый недостающий атом кислорода. В правой части уравнения окисления записывается эквивалентное количество высвобождающихся ионов Н⁺ (в примере – 2 иона Н⁺).

После того, как число атомов уравнено, производится уравнивание зарядов путём введения в левую или правую часть электронно-ионных уравнений соответствующего количества электронов, по которым и определяются стехиометрические коэффициенты. В нашем случае в левой части электронно-ионного уравнения восстановления суммарный электрический заряд ионов равен +12 (-2+14(+1)=+12), в правой +6 (2(+3)+70=+6). Поэтому для уравнивания зарядов в левую часть уравнения необходимо ввести 6е. Для уравнивания зарядов в электронно-ионном уравнении окисления требуется ввести 2е в его правую часть, т.к. суммарный электрический заряд левой части этого уравнения равен –1 (-1+0=-1), а правой +1 (-1+2(+1)=+1).

1 Cr2O72-+14H++6e=2Cr3++7H2O	- электронно-ионное уравнение восстановления окислителя (Cr2O72-+14H+).
3 NO2-+H2O=NO3-+2H++2е	- электронно-ионное уравнение окисления восстановителя (NO2-+H2O).
Cr2O72-+14H++3NO2-+3H2O=2Cr3++7H2O+3NO3-+6H+ - ионно-молекулярное уравнение окисления-восстановления.

Как видно, в результате суммирования электронно-ионных уравнений получающееся ионно-молекулярное уравнение окисления- восстановления содержит в его левой и правой частях одинаковые члены: молекулы Н₂О и ионы Н⁺. В этом случае необходимо произвести сокращение этих членов, после чего получается ионно- молекулярное уравнение в окончательном виде: Cr₂O₇^2-+8H⁺+3NO₂^-=2Cr³⁺+4H₂O+3NO₃^-.

На следующем этапе производится перенос коэффициентов из ионно-молекулярного уравнения в молекулярную схему. При этом в правую часть молекулярной схемы переносятся все продукты ионно-молекулярного уравнения. В рассматриваемом примере в правую часть первоначальной молекулярной схемы из ионно-молекулярного уравнения переносится 4Н₂О. В результате получается новая молекулярная схема реакции: К₂Cr₂O₇+3NaNO₂+4H₂SO₄Cr₂(SO₄)₃+3NaNO₃+4Н₂О+

Наконец, на завершающем этапе производится проверка количества ионов, которые не использовались при составлении электронно-ионных уравнений. В нашем случае – это ионы K⁺, Na⁺, SO₄^2-. Из вышезаписанной молекулярной схемы видно, что в правой части уравнения реакции недостаёт двух ионов К⁺ и одного иона SO₄^2-. В молекулярном виде данная комбинация ионов представляет из себя соль – сульфат калия K₂SO₄. Это последний недостающий продукт реакции, после определения которого записывается её уравнение в окончательном виде: К₂Cr₂O₇+3NaNO₂+4H₂SO₄=Cr₂(SO₄)₃+3NaNO₃+4Н₂О+K₂SO₄.

Наиболее ответственным этапом в методе электронно-ионных уравнений является составление этих уравнений. В дополнение к рассмотренному сформулируем общие правила составления электронно-ионных уравнений для реакций, протекающих в различных средах.

Для связывания атомов кислорода, высвобождающихся при восстановлении в кислой среде, как уже указывалось, используются ионы Н⁺. В нейтральной и щелочной средах для связывания атомов кислорода в левую часть уравнения вводятся молекулы воды из расчёта 1 молекула Н₂О на каждый высвобождающийся атом кислорода; в правой части уравнения записывается эквивалентное количество гидроксид-ионов – 2ОН^-

Пример 2.2.2. Составление электронно-ионных уравнений превращения Mn₂O₃Mn²⁺ в кислой, нейтральной и щелочной средах.

Согласно схеме превращения в рассматриваемом процессе происходит высвобождение 3-х атомов кислорода, для связывания которых в кислой среде необходимо использовать 6 ионов Н⁺, в нейтральной и щелочной средах – 3 молекулы Н₂О. В соответствии с этим электронно-ионные уравнения рассматриваемого превращения записываются:

в кислой среде: Mn₂O₃+6Н⁺+2е=2Mn²⁺+3Н₂О;

в нейтральной и щелочной средах: Mn₂O₃+3Н₂О=2Mn²⁺+6ОН^-.

Из записанных уравнений следует, что рассматриваемые превращения являются процессами восстановления окислителей: в кислой среде окислитель – (Mn₂O₃+6Н⁺), в нейтральной и щелочной средах – (Mn₂O₃+3Н₂О).

При составлении электронно-ионных уравнений окисления в кислой и нейтральной средах для компенсации недостающих атомов кислорода в левую часть уравнения вводят воду из расчёта 1 молекула Н₂О на каждый недостающий атом кислорода. При этом в качестве продуктов окисления образуются 2 иона Н⁺. Если процесс окисления протекает в щелочной среде, для компенсации недостающих атомов кислорода используют гидроксид-ионы из расчёта 2 иона ОН^- на каждый недостающий атом кислорода. В качестве продукта окисления в данном случае образуется молекула Н₂О.

Пример 2.2.3. Составление электронно-ионных уравнений превращения Mn²⁺ Mn₂O₃ в кислой, нейтральной и щелочной средах.

В соответствии с вышеотмеченным для компенсации недостающих 3-х атомов кислорода в левую часть электронно-ионного уравнения рассматриваемого превращения частиц в кислой и нейтральной средах вводим 3 молекулы Н₂О. Результатом этого является образование 6 ионов Н⁺. Для компенсации недостающих атомов кислорода в щелочной среде необходимо ввести в левую часть электронно-ионного уравнения 6 ионов ОН^-, в результате чего в качестве продуктов реакции образуются 3 молекулы Н₂О. Согласно сказанному записываем электронно-ионные уравнения для каждой из 3-х сред:

в кислой и нейтральной средах:2Mn²⁺+3Н₂О= Mn₂O₃ +6Н⁺+2е – уравнение окисления восстановителя (2Mn²⁺+3Н₂О);

в щелочной среде: 2Mn²⁺+6ОН^-= Mn₂O₃ +3Н₂О+2е – уравнение окисления восстановителя (2Mn²⁺+6ОН^-).