Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

  При составлении уравнений ОВР, для удобства, в исходных веществах вначале ставят записывать восстановитель, затем окислитель и среду (если это необходимо); в продуктах реакции – продукты окисления, затем восстановления и другие вещества. Применяются два метода составления ОВР: электронного баланса и полуреакций (ионно-электронный метод).

Метод электронного баланса. Рассмотрим следующую реакцию

Na₂SO₃ + KMnO₄+ H₂SO₄ = Na₂SO₄ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O.

 Определяют окислительные числа элементов до и после реакции

+1 +4 –2  +1+7 -2   +1+6-2        +1+6-2   +1+6-2    +2+6-2  +1-2

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄    =   Na₂SO₄ + K₂SO₄ + MnSO₄+H₂O

 Находят окислитель и восстановитель. Ион серы (S⁺⁴) в Na₂SO₃ повышает свою степень окисления, то есть теряет электроны, является восстановителем и в процессе реакции окисляется. Ион марганца (Mn⁺⁷) в KMnO₄ понижает свою степень окисления, то есть присоединяет электроны, является окислителем и в процессе реакции восстанавливается, следовательно, в этой реакции  Na₂SO₃ – восстановитель, KMnO₄ – окислитель.

Записывают в левой части начальное состояние серы и марганца, а в правой – конечное и определяют количество потерянных  S⁺⁴ и принятых Mn⁺⁷ электронов

S⁴⁺   – 2e   =    S⁶⁺

Mn⁷⁺ + 5e   =   Mn²⁺

Составляют электронный баланс, то есть общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно общему числу электронов принятых окислителем. Определяют общее количество отданных и принятых электронов (общее наименьшее кратное). Оно равно 10. Следовательно, 10 электронов теряют 5 ионов серы и присоединяют 2 иона марганца

S⁴⁺   – 2e   =    S⁶⁺ 2 5

Mn⁷⁺ + 5e   =   Mn²⁺ 5 2

 Переносят эти коэффициенты в уравнение реакции

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

 Определяют число молекул  H₂SO₄, участвующих в реакции образования двух молекул MnSO₄ и молекулы K₂SO₄, и оно равно трем

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

 По количеству атомов  водорода в серной кислоте определяют число молекул воды 

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

 Правильность расстановки коэффициентов проверяют по числу атомов кислорода в левой и правой частях уравнения.

            Метод полуреакций. Как показывает название, этот метод предусматривает раздельное составление ионных реакций для процесса окисления и процесса восстановления с последующим суммированием их в общее ионное уравнение. При этом сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты записывают в виде молекул.

В ионную схему включают те частицы, которые подвергаются изменению, то есть проявляют восстановительные или окислительные свойства, а также частицы, характеризующие среду: кислую – ион H⁺ , щелочную – OH^- и нейтральную – H₂O. Этот метод удобно использовать в том случае, когда реакция протекает в растворе или расплаве. Поэтому в электронно-ионном методе записывают реально существующие ионы

_.

            Пример 1.Составить уравнение реакции взаимодействия  KNO₂  с K₂Cr₂O₇ в кислой среде, используя метод полуреакций. Определяют окислитель и восстановитель. Окислителем в   этой реакции является ион  . В кислой среде он принимает 6 электронов и образует 2 иона     Сr³⁺ , а освободившийся кислород вместе с ионом H⁺ среды образует молекулы воды

 + 14H⁺ + 6e  =  2Cr³⁺ + 7H₂O.

 Это уравнение первой полуреакции – восстановление окислителя. Восстановителем является ион . Он отдает два электрона и окисляется до ионаПолучающийся в ходе реакции ионсодержит больше кислорода, чем ион. Недостающее количество кислорода пополняется за счёт молекулы воды, при этом освобождается 2Н⁺ -иона

.

 Общее число электронов, отдаваемых восстановителем и присоединяемых окислителем, должно быть равным. В нашем примере оно равно 6. Отсюда, записав уравнения обеих полуреакций, находят коэффициенты для окислителя и восстановителя  

 

Суммируют электронно-ионные уравнения (предварительно умноженные на коэффициенты)

Сокращают подобные члены и составляют сокращенное ионное уравнение

Поэтому ионному уравнению составляют молекулярное уравнение, для чего каждому аниону приписывают соответствующий катион, а каждому катиону – соответствующий анион. И, как правило, сначала записывают формулы молекул восстановителя, затем – окислителя и среды

3KNO₂ + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄= 3KNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4H₂O.

 При составлении уравнений методом полуреакций следует учитывать следующие факторы:

а) записывать в ионном виде восстановитель, окислитель и продукты их взаимодействия, а затем уже приступать к составлению уравнений полуреакций. Сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, газы и вещества, выпадающие в виде осадков, в виде молекул. Продукты реакции (взаимодействия восстановителя и окислителя) устанавливаются опытным путём на основании известных свойств элементов;  

б) если исходное вещество содержит больше кислорода, чем продукт реакции,  то освобождающийся кислород в форме О^2-  связывается в кислых растворах ионами Н⁺ в воду, а в нейтральных растворах – в гидроксид-ионы

О^2- + 2Н⁺ = Н₂О или  О^2- + Н₂О = 2ОН^-;

 в) если же исходное вещество содержит меньше атомов кислорода, чем продукты реакций, то недостаток их восполняется в кислых и нейтральных растворах за счёт молекул воды

Н₂О = О^2- + 2Н⁺,

а в щелочных – за счёт гидроксид-ионов

2ОН^– = О^2- + Н₂О;

г) суммарное число и знак электрических зарядов слева и справа от знака равенства должны быть равны.

Достоинство метода полуреакций по сравнению с методом электронного баланса в том, что в нем используются реально существующие, а не гипотетические ионы. В самом деле, в растворе нет ионов Мn⁺⁷, Cr⁺⁶, S⁺⁶, а есть ионы  .

При этом не нужно определять степени окисления атомов, а также видна роль среды как активного участника процесса. Наконец, при использовании метода полуреакций не нужно знать все образующиеся вещества: они определяются в уравнении реакции при его выводе.

Следует отдавать предпочтение методу полуреакций и применять его при составлении уравнений всех окислительно-восстановительных реакций, которые протекают в водных растворах и расплавах.