Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций используют два метода – метод электронного баланса и метод полурекций.

1.Метод электронного баланса.

В данном методе сравнивают степени окисления атомов в исходных и конечных веществах, руководствуясь правилом: число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединенных окислителем. Для составления уравнения надо знать формулы реагирующих веществ и продуктов реакции. Последние определяются либо опытным путем, либо на основе известных свойств элементов.

Рассмотрим пример. Составление уравнения реакции взаимодействия сероводорода с подкисленным раствором перманганата калия.

Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции:

H₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ → S + MnSO₄ + K₂SO₄ +H₂O

Затем покажем изменение степеней окисления атомов до и после реакции:

_{-2 +7 0 +2}

H₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ → S + MnSO₄ + K₂SO₄ +H₂O

Изменяются степени окисления у атомов серы и марганца (H₂S – восстановитель, KMnO₄ – окислитель). Составляем электронные уравнения, т.е. изображаем процессы отдачи и присоединения электронов:

_{-2 0}

S - 2ē = S 5

_{+7 +2}

Mn + 5ē = Mn 2

Находим коэффициенты при окислителе и восстановителе, а затем при других реагирующих веществах. Из электронных уравнений видно, что надо взять 5 моль H₂S и 2 моль KMnO₄, тогда получим 5 моль атомов S и 2 моль MnSO₄. кроме того, из сопоставления атомов в левой и правой частях уравнения, найдем, что образуется также 1 моль K₂SO₄ и 8 моль воды. Окончательное уравнение реакции будет иметь вид:

5H₂S + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 5S + 2MnSO₄ + K₂SO₄ +8H₂O

Записываем уравнение в ионной форме:

5H₂S + 2MnO₄^- + 6Н⁺ = 5S + 2Mn²⁺ + 8Н₂О

Правильно записанное уравнение реакции является выражением закона сохранения массы веществ. Поэтому число одних и тех же атомов в исходных веществах и продуктах реакции должно быть одинаковым. Должны сохраняться и заряды. Сумма зарядов исходных веществ всегда должна быть равна сумме зарядов продуктов реакции.

2.Метод полуреакций, или ионно-электронный метод.

Данный метод основан на составлении ионных уравнений для процесса окисления и процесса восстановления с последующим суммирование их в общее уравнение. В качестве примера составим уравнение той же реакции. При пропускании сероводорода через подкисленный раствор перманганата калия малиновая окраска исчезает и раствор мутнеет. Опят показывает, что помутнение раствора происходит в результате образования элементарной серы, т.е. протекания процесса.

H₂S → S + 2Н⁺

Эта схема уравнена по числу атомов. Для уравнения по числу зарядов надо от левой части схемы отнять два электрона, после чего можно стрелку заменить на знак равенства:

H₂S - 2ē = S + 2Н⁺

Это первая полуреакция – процесс окисления восстановителя H₂S. Обесцвечивание раствора связано с переходом иона MnO₄^- (имеет малиновую окраску) в ион Mn²⁺ (практически бесцветный и лишь при большой концентрации имеет слабо розовую окраску), что можно выразить схемой:

MnO₄^- → Mn²⁺

В кислом растворе кислород, входящий в состав ионов MnO₄^-, вместе с ионами водорода в конечном итоге образуют воду, поэтому процесс перехода записывается так:

MnO₄^- + 8Н⁺ → Mn²⁺ + 4Н₂О

Чтобы стрелку заменить на знак равенства, надо уравнять и заряды. Поскольку исходные вещества имеют семь положительных зарядов (7+), а конечные – два положительных (2+), то для выполнения условия сохранения зарядов надо к левой части схемы прибавить пять электронов:

MnO₄^- + 8Н⁺ + 5ē = Mn²⁺ + 4Н₂О

Это вторая полуреакция – процесс восстановления окислителя, т.е. перманганат-иона MnO₄^-.

Для составления общего уравнения реакции надо уравнения полурекций почленно сложить, предварительно уравняв числа отданных и полученных электронов. В этом случае по правилам нахождения наименьшего общего кратного определяют соответствующие множители, на которые умножаются уравнения полурекций. Сокращенно запись проводится так:

H₂S - 2ē = S + 2Н⁺ 5

MnO₄^- + 8Н⁺ + 5ē = Mn²⁺ + 4Н₂О 2

5H₂S + 2MnO₄^- + 16Н⁺ = 5S + 10Н⁺ + 2Mn²⁺ + 8Н₂О

И, сократив на 10Н⁺, окончательно получим:

5H₂S + 2MnO₄^- + 6Н⁺ = 5S + 2Mn²⁺ + 8Н₂О

Проверяем правильность составленного в ионной форме уравнения: число атомов кислорода в левой части 8, в правой – 8; число зарядов: в левой части (2-) +(6+) = 4+, в правой 2(2+) = 4+. Уравнение составлено правильно, так как атомные заряды уравнены.

Методом полуреакций составляется уравнение реакций в ионной форме. Чтобы от него перейти к уравнению в молекулярной форме, поступаем так: в левой части ионного уравнения к каждому иону подбираем соответствующий катион, а каждому катиону – анион. Затем те же ионы в таком же числе записываем в правую часть уравнения, после чего ионы объединяем в молекулы:

5H₂S + 2MnO₄^- + 6Н⁺ = 5S + 2Mn²⁺ + 8Н₂О

2K⁺ + 3SO₄^2- = 2K⁺ + 3SO₄^2-______________

5H₂S + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 5S + 2MnSO₄ + K₂SO₄ +8H₂O

Таким образом, составление уравнений ОВР с помощью метода полуреакций приводит к тому же результату, что метод электронного баланса.

Сопоставим оба метода. Достоинство метода полуреакций по сравнению с методом электронного баланса в том, что в нем применяются не гипотетические ионы, а реально существующие. В самом деле, в растворе нет ионов Mn⁺⁷, Cr⁺⁶, S⁺⁶, S⁺⁴, а есть ионы MnO₄^-, Cr₂O₇^2-, CrO₄^2-, SO₄^2-, SO₃^2-. При методе полуреакций не нужно знать степень окисления атомов. Написание отдельных ионных уравнений полурекций необходимо для понимания химических процессов в гальваническом элементе и при электролизе. При этом методе видна роль среды как активного участника всего процесса. При использовании метода полурекций не нужно знать все получающиеся вещества, они появляются в уравнении реакции при его выводе. Поэтому методу полуреакций следует отдать предпочтение и применять его при составлении всех ОВР, протекающих в водных растворах.

Дата добавления: 2014-01-05