Составление уравнений реакций окисления-восстановления

Для протекания окислительно-восстановительных реакций (ОВР) необходимо одновременное присутствие веществ, взаимно противоположных по своей способности отдавать или присоединять электроны. Кроме этого, протекание некоторых реакций окисления-восстановления возможно лишь при определенных условиях (реакция среды, температура, катализатор, концентрация веществ и др).


Чтобы определить вероятность протекания ОВР обычно пользуются значениями ионизационных потенциалов, сродства к электрону и электроотрицательностей. При количественном определении направления окислительно-восстановительных реакций удобно пользоваться стандартными значениями энергии Гиббса образования исходных или конечных веществ, а также изменением энергии Гиббса или Гельмгольца реакции.
Мерой интенсивности реакций окисления-восстановления являются стандартные окислительно-восстановительные потенциалы.

Алгоритм cоставления уравнений реакций окисления-восстановления

При составлении уравнений реакций окисления-восстановления необходимо придерживаться определенной последовательности:

  • Найти среди исходных веществ окислитель и восстановитель
  • Записать продукты реакции
  • Подобрать коэффициенты

1. Найти среди исходных веществ окислитель и восстановитель

Для этого прежде всего необходимо расставить степени окисления элементов и сравнить их окислительно-восстановительные свойства.

Например:

KBr + KMnO4 + H2SO4 =

Расставим степени окисления:

K+Br + K+Mn+7O4-2

В кислой среде Br окисляется до Br2, т.е. отдает 2 электрона и является восстановителем, а Mn+7 восстанавливается до Mn+2 и является окислителем.

2. Записать продукты реакции

Правильно определить продукты реакции помогут ваши знания о строении атомов элементов, их свойствах и свойствах их соединений.

Важно помнить, что в реакциях межатомного и межмолекулярного окисления-восстановления, свободный кислород, как правило, не выделяется.

Выделение кислорода

Выделение кислорода происходит при взаимодействии пероксидов с сильными окислителями, а также в некоторых реакциях с участием озона и фтора. Например,

2KMnO4 + 5Na2O2 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5O2↑ + 5Na2SO4 + K2SO4 + 8H2O
SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2
PbS + 4O3 = PbSO4 + 4O2

В других случаях атомы кислорода, входящие в состав молекул окислителя (или восстановителя) связываются в молекулы воды при участии ионов водорода H+, например

HNO2 + HI = NO + I2 + H2O

Характер среды

Кислая среда

При написании продуктов реакции необходимо учитывать характер среды. Следует помнить, что в кислой среде образуются соли одно-, двух- и трехзарядных катионов – хлориды, бромиды, сульфаты, нитраты.

Для создания кислой среды, как правило используют разбавленную серную кислоту. Соляная и азотная кислоты для подкисления используются реже, т.к. азотная кислота сама является окислителем, а соляная кислота в присутствии сильных окислителей обладает восстановительными свойствами.

Щелочная среда

Щелочную среду создают, как правило, растворами KOH или NaOH. В щелочной среде не могут образовываться кислоты и кислотные оксиды, а образуются соли.

Чтобы не ошибиться при написании продуктов реакций, вначале следует написать продукты окисления и восстановления, а потом только другие вещества, степень окисления которых не изменяется в процессе реакции.

Итак, образуемые в результате реакции продукты, определяются условиями проведения реакции и природой окислителя и восстановителя. Ниже представлены схемы окислительно-восстановительных реакций соединений марганца и хрома в различных средах, а также азотной и серной кислот.

Схема ОВР соединений марганца
Схема ОВР соединений марганца
Схема ОВР соединений хрома
Схема ОВР соединений хрома

Азотная кислота

В результате реакции азотной кислоты с металлами, в зависимости от ее концентрации и активности металла, образуются нитраты, вода и различные продукты восстановления кислоты, указанные в таблице ниже. См. также химические свойства азотной кислоты

Азотная кислота_продукты реакции

Серная кислота

Разбавленная серная кислота не является окислителем и реагирует с металлами, как обычная кислота. Если металл стоит в электрохимическом ряду напряжения металлов до водорода, то при его взаимодействии с кислотой происходит выделение водорода. Если металл находится после водорода в этом ряду, то взаимодействия не происходит.
Концентрированная серная кислота активными металлами (до Zn) восстанавливается до S и H2S, а менее активными (расположенные после водорода и в непосредственной близости от него в ряду напряжения металлов) до SO2. См. также химические свойства серной кислоты

Благородные металлы — золото Au и платина Pt не окисляются даже концентрированной серной кислотой.

А такие достаточно активные металлы, как Al, Fe, Cr при обычных условиях пассивируются и не взаимодействуют с концентрированной H2SO4, однако при нагревании реакции становятся возможными.

взаимодействие серной кислоты с металлами

3. Подобрать коэффициенты

Коэффициенты в ОВР подбирают, учитывая число отданных и принятых электронов. Следует помнить, что общее число электронов, отданных восстановителем, должно равняться общему числу электронов, принятых окислителем.

Существует несколько методов подбора коэффициентов, из которых чаще всего используют Метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций). В соответствующих разделах, а также в разделе Задачи к разделу Окислительно-восстановительные реакции приведены примеры составления окислительно-восстановительных реакций.