Метод полуреакций (электронно-ионного баланса)

Данный метод применяется для составления уравнений ОВР в водных растворах с участием электролитов.

В этом методе не используется понятие степень окисления, а рассматривается обмен электронами между реальными частицами, присутствующими в растворе - ионами и молекулами. Метод полуреакций позволяет использовать в качестве исходных неполные схемы реакций.

К недостаткам этого метода следует отнести его некоторую громоздкость и ограниченность в применении только растворами электролитов.

Алгоритм применения метода полуреакций (электронно - ионного баланса)

1. Написать схему реакции. Схема может быть полной или неполной. В случае использования неполной схемы из продуктов реакции необходимо знать только частицу, в которую перешел окислитель и частицу, в которую перешел восстановитель в ходе ОВР.

Пример:

а) полная схема реакции:

Na₂Cr₂O₇ + K₂SO₃ + H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Na₂SO₄ + H₂O;

б) неполная схема этой же реакции, достаточная для применения метода полуреакций:

Na₂Cr₂O₇ + K₂SO₃ + H₂SO₄  Cr⁺³ + SO + . . . .

Пока для простоты будем использовать полную схему взаимодействия. Применение метода полуреакций к неполным схемам рассмотрено в конце этой главы.

2. Написать ионную схему реакции. При этом, на ионы разбиваются только сильные электролиты, хорошо растворимые в воде (как при составлении обменных ионных уравнений):

2Na⁺ + Cr₂O + 2K⁺ + SO + 2H⁺ + SO 

2Cr⁺³ + SO + 2K⁺ + SO + 2Na⁺ + SO + H₂O.

П р и м е ч а н и е. Стехиометрические коэффициенты перед ионами можно не указывать. Они не имеют никакого смысла, так как данное выражение является схемой, а не уравнением реакции:

Na⁺ + Cr₂O + K⁺ + SO + H⁺ + SO 

Cr⁺³ + SO + K⁺ +SO + Na⁺ + SO + H₂O.

3. Сравнить правую и левую части ионной схемы и найти частицы, изменившие свою химическую форму. Под изменением химической формы подразумевается:

а) изменение заряда частицы;

б) изменение формульного состава частицы.

П р и м е ч а н и е. В данном пункте частицы H⁺ , OH^- и H₂O не рассматриваются.

SO  SO (произошло изменение формульного состава частицы);

Сr₂O  Cr⁺³ (произошло изменение как формульного состава, так и заряда частицы).

4. Составить уравнения полуреакций окисления и восстановления. Это делается в такой последовательности.

а) уравниваются правые и левые части полуреакций по всем атомам, кроме кислорода и водорода:

SO  SO ,

Cr₂O  2Cr⁺³,

б) полуреакции уравниваются по кислороду и водороду с учетом кислотности среды (далее будет рассмотрено отдельно)

SO + H₂O  SO + 2H⁺,

Cr₂O + 14 H⁺  2Cr⁺³ + 7H₂O,

в) полуреакции уравниваются по зарядам с помощью электронов. В первой полуреакции суммарный заряд частиц слева = -2, а справа = 0. Значит, справа нужно прибавить 2 (или слева отнять 2):

SO + H₂O - 2 = SO + 2H⁺ .

Для уравнивания второй полуреакции слева нужно прибавить 6:

Cr₂O + 14H⁺ + 6 = 2Cr⁺³ + 7H₂O.

Полученные выражения являются уравнениями полуреакций.

5. Сделать электронный баланс, то есть подобрать коэффициенты, на которые необходимо умножить полуреакции окисления и восстановления, чтобы количество электронов, ушедших от восстановителя было равно числу электронов, пришедших к окислителю:

SO + H₂O - 2 = SO + 2H⁺ 3

Cr₂O + 14H⁺ + 6 = 2Cr⁺³ + 7H₂O 1

6. Умножить верхнее и нижнее уравнения полуреакций на коэффициенты электронного баланса. Затем сложить их и получить сокращенное ионное уравнение ОВР. В данном примере полуреакцию окисления нужно умножить на 3, а полуреакцию восстановления - на 1. После сложения получаем:

3SO + 3H₂O + Cr₂O + 14H⁺ = 3SO + 6H⁺ + 2Cr⁺³ + 7H₂O.

Далее сокращаем (по Н₂О и Н⁺):

3SO + Cr₂O + 8H⁺ = 3SO + 2Cr⁺³ + 4H₂O.

Данное выражение является сокращенным ионным уравнением взаимодействия между восстановителем (SO) и окислителем (Cr₂O) в кислой среде.

Если необходимо получить молекулярное уравнение реакции, то следует выполнить еще один пункт.

7. Сокращенное ионное уравнение сложить с дополнительным ионным уравнением и получить полное ионное уравнение, которое затем преобразовать в молекулярное уравнение ОВР.

3SO + Cr₂O + 8H⁺ = 3SO + 2Cr⁺³ + 4H₂O ,

6K⁺ + 2Na⁺ + 4SO = 6K⁺ + 3SO + 2Na⁺ + SO

----------------------------------------------------------------------------

6K⁺ + 3SO + 2Na⁺ + Cr₂O + 8H⁺ + 4SO =

= 6K⁺ + 3SO + 2Cr⁺³ + 3SO + 4H₂O + 2Na⁺ + SO .

3K₂SO₃ + Na₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3K₂SO₄ + Na₂SO₄ + 4H₂O.

П р и м е ч а н и е. В целях экономии времени полное ионное уравнение ОВР обычно не пишут, а при сложении сокращенного ионного с дополнительным ионным уравнением сразу же получают молекулярное уравнение.

Уравнивание полуреакций по кислороду и водороду с учетом

кислотности cреды

Как известно, в растворе среда может быть кислой, щелочной или нейтральной.

П р и м е ч а н и е. Если среда в растворе слабокислая (рН немного меньше 7) или слабо щелочная (рН немного больше 7) уравнивание производят, считая среду практически нейтральной.

I. Среда кислая (рН  7). Для составления полуреакции разрешены частицы только 2-х видов: это ион Н⁺ и молекула Н₂О.

Полезно запомнить следующую схему:

2H⁺ + O^*  H₂O.

По элементному составу 2 иона Н⁺ и один атом “связанного” кислорода (О^*) эквивалентны одной молекуле воды. Под “связанным” кислородом понимается атом кислорода, входящий в состав любой кислородсодержащей частицы (например: в молекуле СО₂ два “связанных” кислорода, а в ионе SO - их четыре).

Пример 1. SO  SO.

Ион SO содержит 3 О^*, а ион SO содержит 4 О^* . Чтобы уравнять по кислороду, слева следует добавить 1 молекулу Н₂О. При этом справа должно появиться 2 иона Н⁺ (чтобы сошлось по водороду):

SO + H₂O  SO + 2H⁺.

Пример 2. Cr₂O  2Cr⁺³.

Слева 7 атомов кислорода, а справа - ни одного. Слева добавляем 14 Н⁺ , при этом справа появляется 7 Н₂О.

Пример 3. NO  NH .

Cлева следует добавить 10 Н⁺. Из них 6 Н⁺ “свяжут” 3 кислорода в 3 молекулы воды, а 4 Н⁺ необходимы для получения иона аммония:

NO + 10 H⁺  NH + 3H₂O .

П р и м е ч а н и е. Полученные в этих примерах схемы полуреакций не являются уравнениями. Далее их следует уравнять по зарядам с помощью электронов.

II. Среда щелочная (рН  7). В данном случае для уравнивания по кислороду и водороду можно использовать только ионы ОН^- и молекулы Н₂О. Между этими частицами имеет место следующее соотношение (по элементному составу):

2OH^- ~ H₂O + O^*.

Пример 1. SO  SO,

SO + 2OH^-  SO + H₂O.

Пример 2. CrO  Cr⁺³,

CrO + 4H₂O  Cr⁺³ + 8OH^-.

Пример 3. MnO₂  MnO ,

MnO₂ + 4OH^-  MnO + 2H₂O.

Пример 4. N₂H₄  N₂,

N₂H₄ + 4OH^-  N₂ + 4H₂O.

III. Среда нейтральная (рН  7). Для уравнивания по кислороду и водороду в схеме полуреакции слева можно писать только Н₂О. Справа могут появиться или Н⁺ или OH^-.

Пример 1. SO  SO ,

SO + H₂O  SO + 2H⁺.

Обратите внимание: в данном случае схема реакции совпадает с таковой для случая кислой среды.

Пример 2. NO  NO ,

NO + H₂O  NO + 2OH^- .

Полученное выражение аналогично переходу нитрата в нитрит в щелочной среде.

Применение метода полуреакций для неполных схем

Рассмотрим следующий пример: к раствору KMnO₄ добавили несколько капель H₂SO₄ (т.е. создали кислую среду), а затем добавили раствор Na₂SO₃ . Составить уравнение ОВР. Условие задачи можно записать в виде схемы:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄  . . . .

или в ионном виде:

K⁺ + MnO + 2Na⁺ + SO + 2H⁺ + SO  . . . .

Из литературы известно, что ион MnO является довольно сильным окислителем в любых средах. В кислой среде (в нашем случае) имеет место переход: MnO  Mn⁺².

Так же известно, что SO в любых средах склонен проявлять восстановительные свойства. Причем, независимо от cреды сульфит переходит в сульфат: SO  SO.

Напишем уравнения соответствующих полуреакций и сделаем электронный баланс:

MnO + 8H⁺ + 5 = Mn⁺² + 4H₂O 2

SO + H₂O - 2 = SO + 2H⁺ 5

Умножим уравнения полуреакций на коэффициенты электронного баланса и сложим. После сокращения одинаковых ионов получим сокращенное ионное уравнение ОВР:

2MnO + 16 H⁺ + 5H₂O = 2Mn⁺² + 8H₂O + 5SO + 10 H⁺,

2MnO + 6 H⁺ + 5SO = 2Mn⁺² + 3H₂O + 5SO.

Напишем снизу дополнительное ионное уравнение:

2MnO + 6 H⁺ + 5SO = 2Mn⁺² + 3H₂O + 5SO.

2K⁺ + 3SO + 10Na⁺ = 2SO + 10Na⁺ + 2K⁺ + SO.

Далее получаем молекулярное уравнение ОВР:

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