Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

Для составления окислительно-восстановительных уравнений применяют два метода: электронного баланса и полуреакций. Основное требование — чис­ло электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электро­нов, принятых окислителем.

В методе электронного баланса сначала определяют степень окисления каждого атома и затем составляют схемы, отражающие процесс передачи электронов. После этого подбирают множители по правилу нахождения обще­го кратного, которые и будут представлять собой коэффициенты при окислите­ле и восстановителе.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию:

KMnO₄ + HC1 -> С1₂ + МпС1₂ + КС1 + Н₂0

2| Мn⁷⁺+5е->Мп²⁺

5| 2СL -2е->СL₂ 2КМn0₄ + 10НС1 -> 2МnС1₂ + 5С1₂ + КС1 + Н₂O

Теперь уравниваем количество атомов, не участвующих в окислительно-восстановительной реакции:

а) ионов металлов, не изменивших степени окисления (калий):

2КМn0₄ + 10НС1--» 2МnС1₂ + 5С1₂ + 2КС1 + Н₂О

б) ионов кислотных остатков (в данной реакции хлорид-ионов):

2КМnО₄ + 10НС1(на окисление ) + 6НС1(на образование хлоридов) --»5С1₂ + 2МnС1₂ + 2КС1+Н₂О

в) ионов водорода:

2КМnО₄ + 16НС1- -> 5С1₂ + 2КС1 + 2МnС1₂ + 8Н₂О

В заключение можно проверить правильность коэффициентов подсчетом общего количества атомов кислорода слева и справа.

В методе полуреакций коэффициенты в уравнении определяют с учетом конкретной формы ионов, участвующих в процессе. Преимуществом данно­го метода является отсутствие необходимости пользоваться понятием степени окисления. Кроме того, этот метод позволяет учесть влияние среды реакции на характер окислительно-восстановительного процесса.

Полезно запомнить вспомогательные уравнения для уравнивания кисло­рода «0^-2», входящего в состав сложных ионов или молекул. В кислой среде следует пользоваться уравнением (а), в щелочной (и нейтральной) — уравне­нием (б): а) «О-²» + 2H⁺ H₂O, б) «O^-2» + H₂O 20H^-

Для примера рассмотрим восстановление иона МпО ^-₄ в кислой среде, проте­кающее до иона Мп²⁺: K₂SO₃ + КМп0₄ + Н₂S0_4(разб) --> K₂S0₄ + MnS0₄ + Н₂О

В полуреакции восстановления окислителя слева записывают ион МпО^-₄ ,

а справа — Мn²⁺. Освобождающийся кислород в кислой среде связывается в четыре молекулы Н₂О, для образования которых в левую часть полуреак­ции необходимо добавить восемь катионов водорода. Уравняв количество атомов элементов в левой и правой частях полуреакции, подсчитывают суммар­ный заряд ионов слева и справа и вычисляют количество электронов, принятых окислителем, исходя из того, что сумма зарядов слева должна быть равна сум­ме зарядов справа.

МпО^-₄ + 8Н⁺ + 5е --> Мп²⁺ + 4Н₂О

Аналогичным образом составляют полуреакцию окисления восстановителя:

SO^2-₃ + Н₂0 - 2е -> SO₄^2- + 2Н⁺

Далее, как и в методе электронного баланса, находят наименьшее кратное и дополнительные множители:

2| МnО₄^- + 8Н⁺ + 5е -» Мп²⁺ + 4Н₂О

5| SO^2- ₃ + Н₂О - 2е -> SO₄^2- + 2Н⁺

Затем суммируют обе полуреакции и после сокращения одинаковых слага­емых (Н₂0 и Н⁺) получают сокращенное ионное уравнение окислительно-вос­становительной реакции, коэффициенты из которого переносят в молекуляр­ное уравнение:

2MnO^-₄ + 16Н⁺ + 5S0^2-₃ + 5Н₂O --» 2Мп²⁺ + 8Н₂О + 5SO^2-₄ + 10Н⁺

2MnO^-₄ + 5SO^2-₃ +6Н⁺ --> 2Mn²⁺ +5SO^2-₃ +3H₂O

В молекулярной форме это взаимодействие описывается уравнением (с уче­том одной дополнительной молекулы K₂S0₄ за счет двух ионов К⁺ из КМпО₄):

2КМnО₄ + 5K₂SO₃ + 3H₂SO₄ --> 2MnSO₄ + 6K₂S0₄ + 3H₂O

В нейтральной среде перманганат-ион восстанавливается до оксида марган­ца (IV), а освобождающийся кислород с молекулами воды образует гидроксид-ионы, которые являются источником кислорода при окислении сульфит-иона в сульфат-ион.

KMn0₄ + K₂SO₃ + Н₂0 -> МпО₂ + КОН + K₂SO₄

2| MnO₄^- +2H₂O+3e->MnO₂ +4OH"

3| SO^2-₃ + 2OH^- - 2е --> SO^2-₄ + Н₂О

При суммировании полуреакций можно записывать только те частицы, которые будут сокращаться:

4Н₂О + 6ОН--> 8ОН^- + ЗН₂О

Сократив три молекулы воды и шесть гидроксид-ионов, получаем полное ионное уравнение:

2 MnO₄^- + 3SO^2-₃ + Н₂О --> 2MnO₂ + 3SO^2-₃ + 2ОН^-коэффициенты из которого переносим в молекулярное уравнение: 2КМnО₄ + 3K₂SO₃ + Н₂О --> 2МnО₂ + 2КОН + 3K₂SO₄

В щелочной среде реакция идет с образованием манганат-ионов. При этом источником кислорода в щелочной среде являются гидроксид-ионы: два гидро-ксид-иона могут отдать один кислород, превращаясь при этом в одну молеку­лу воды.

2КМn0₄ + K₂S0₃ + 2КОН --> 2К₂МnО₄ + K₂SO₄ + Н₂O

В заключение отметим, что метод полуреакций применим лишь для описа­ния и подбора коэффициентов окислительно-восстановительных процессов, протекающих в растворах. Метод же электронного баланса позволяет устано­вить стехиометрические отношения в любых реакциях окисления-восстанов­ления, независимо от среды.