Метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций)

Спецификой многих ОВР является то, что при составлении их уравнений подбор коэффициентов вызывает затруднение. Для облегчения подбора коэффициентов чаще всего используют метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций). Рассмотрим применение каждого из этих методов на примерах.

Метод электронного баланса

В его основе лежит следующее правило: общее число электронов, отдаваемое атомами-восстановителями, должно совпадать с общим числом электронов, которые принимают атомы-окислители.

В качестве примера составления ОВР рассмотрим процесс взаимодействия сульфита натрия с перманганатом калия в кислой среде.

  1. Сначала необходимо составить схему реакции: записать вещества в начале и конце реакции, учитывая, что в кислой среде MnO4 восстанавливается до Mn2+ (см. схему):

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

  1. Далее определим какие из соединений являются окислителем и восстановителем; найдем их степень окисления в начале и конце реакции:

Na2S+4O3 + KMn+7O4 + H2SO4 = Na2S+6O4 + Mn+2SO4 + K2SO4 + H2O

Из приведенной схемы понятно, что в процессе реакции происходит увеличение степени окисления серы с +4 до +6, таким образом, S+4 отдает 2 электрона и является восстановителем. Степень окисления марганца уменьшилась от +7 до +2, т.е. Mn+7 принимает 5 электронов и является окислителем.

 

  1. Составим электронные уравнения и найдем коэффициенты при окислителе и восстановителе.

S+4 – 2e = S+6           ¦ 5  восстановитель, процесс окисления

Mn+7 +5e = Mn+2     ¦ 2  окислитель, процесс восстановления

Чтобы число электронов, отданных восстановителем, было равно числу электронов, принятых восстановителем, необходимо:

  • Число электронов, отданных восстановителем, поставить коэффициентом перед окислителем.
  • Число электронов, принятых окислителем, поставить коэффициентом перед восстановителем.

Таким образом, 5 электронов, принимаемых окислителем Mn+7, ставим коэффициентом перед восстановителем, а 2 электрона, отдаваемых восстановителем S+4 коэффициентом перед окислителем:

5Na2S+4O3 + 2KMn+7O4 + H2SO4 = 5Na2S+6O4 + 2Mn+2SO4 + K2SO4 + H2O

  1. Далее надо уравнять количества атомов элементов, не изменяющих степень окисления, в такой последовательности: число атомов металлов, кислотных остатков, количество молекул среды (кислоты или щелочи). В последнюю очередь подсчитывают количество молекул образовавшейся воды.

Итак, в нашем случае число атомов металлов в правой и левой частях совпадают.

По числу кислотных остатков в правой части уравнения найдем коэффициент для кислоты.

В результате реакции образуется 8 кислотных остатков SO42-, из которых 5 – за счет превращения 5SO32- → 5SO42-, а 3 – за счет молекул серной кислоты 8SO42-— 5SO42- = 3SO42-.

Таким образом, серной кислоты надо взять 3 молекулы:

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

  1. Аналогично, находим коэффициент для воды по числу ионов водорода, во взятом количестве кислоты

6H+ + 3O-2 = 3H2O

Окончательный вид уравнения следующий:

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

Признаком того, что коэффициенты расставлены правильно является равное количество атомов каждого из элементов в обеих частях уравнения.

 

Ионно-электронный метод (метод полуреакций)

Реакции окисления-восстановления, также как и реакции обмена, в растворах электролитов происходят с участием ионов. Именно поэтому ионно-молекулярные уравнения ОВР более наглядно отражают сущность реакций окисления-восстановления. При написании ионно-молекулярных уравнений, сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде). В ионной схеме указывают частицы, подвергающиеся изменению их степеней окисления, а также характеризующие среду, частицы: H+кислая среда, OHщелочная среда и H2O – нейтральная среда.

Рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в кислой среде.

  1. Сначала необходимо составить схему реакции: записать вещества в начале и конце реакции:

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

  1. Запишем уравнение в ионном виде, сократив те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:

SO32- + MnO4 + 2H+ = Mn2+ + SO42- + H2O

  1. Далее определим окислитель и восстановитель и составим полуреакции процессов восстановления и окисления.

В приведенной реакции окислитель — MnO4 принимает 5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Mn2+. При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO4, который, соединяясь с H+, образует воду:

MnO4 + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O

Восстановитель SO32- — окисляется до SO42-, отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO42- содержит больше кислорода, чем исходный SO32-. Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2H+:

SO32- + H2O — 2e = SO42- + 2H+

  1. Находим коэффициент для окислителя и восстановителя, учитывая, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:

MnO4 + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O        ¦2             окислитель, процесс восстановления

SO32- + H2O — 2e = SO42- + 2H+              ¦5             восстановитель, процесс окисления

 

  1. Затем необходимо просуммировать обе полуреакции, предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:

2MnO4 + 16H+ + 5SO32- + 5H2O = 2Mn2+ + 8H2O + 5SO42- + 10H+

Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:

2MnO4 + 5SO32- + 6H+ = 2Mn2+ + 5SO42- + 3H2O

  1. Запишем молекулярное уравнение, которое имеет следующий вид:

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

Далее рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в нейтральной среде.

Na2SO3 + KMnO4 + H2O = Na2SO4 + MnO2 + KOH

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO32- + MnO4 + H2O = MnO2 + SO42- + OH

Также, как и предыдущем примере, окислителем является MnO4, а восстановителем SO32-.

В нейтральной и слабощелочной среде MnO4 принимает 3 электрона и восстанавливается до MnО2. SO32-— окисляется до SO42-, отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO4 + 2H2O  + 3e = MnО2 + 4OH         ¦2             окислитель, процесс восстановления

SO32- + 2OH— 2e = SO42- + H2O                  ¦3             восстановитель, процесс окисления

 

Запишем ионное и молекулярное уравнения, учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:

3SO32- + 2MnO4 + H2O =2 MnO2 + 3SO42- + 2OH

3Na2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH

И еще один пример — составление уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в щелочной среде.

Na2SO3 + KMnO4 + KOH = Na2SO4 + K2MnO4 + H2O

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO32- + MnO4 + OH = MnO2 + SO42- + H2O

В щелочной среде окислитель MnO4 принимает 1 электрон и восстанавливается до MnО42-. Восстановитель SO32-— окисляется до SO42-, отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO4 + e = MnО2                                                ¦2             окислитель, процесс восстановления

SO32- + 2OH— 2e = SO42- + H2O               ¦1             восстановитель, процесс окисления

 

Запишем ионное и молекулярное уравнения, учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:

SO32- + 2MnO4 + 2OH = 2MnО42- + SO42- + H2O

Na2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 2K2MnO4 + 3Na2SO4 + 2KOH

Необходимо отметить, что не всегда при наличии окислителя и восстановителя, возможно самопроизвольное протекание ОВР. Поэтому для количественной характеристики силы окислителя и восстановителя и для определения направления реакции пользуются значениями окислительно-восстановительных потенциалов.