Метод електронного балансу

Процеси окиснення завжди супроводжуються процесами відновлення. Один процес не може відбуватися без другого, оскільки вони пов'язані лише з переміщенням матеріальних частинок — електронів, а не з їх знищенням або створенням. Тому в рівняннях окисно-відновних реакцій потрібно зрівнювати кількості відданих і приєднаних електронів відповідними коефіцієнтами.

Складаючи рівняння окисно-відновних реакцій, насамперед, слід визначи­ти ступені окиснення кожного з елементів, що входить до складу вихідних речовин і продуктів реакції, а потім зазначити ті атоми або йони, ступінь окиснення яких змінюється, зазначити окисник і відновник (а в разі потреби і середовище). Після цього потрібно підібрати коефіцієнти в рівнянні реакції, пам'ятаючи, що загальне число відданих електронів повинно дорівнювати загальному числу приєднаних.

Простим прикладом окисно-відновної реакції може бути взаємодія сірко­водню з бромною водою, внаслідок якої утворюються вільна сірка і бромо-водень. Спочатку записують схему рівняння реакції

Потім визначають ступені окиснення атомів елементів до реакції і після неї; ступені окиснення змінюються у Брому і Сульфуру:

Ступінь окиснення Сульфуру змінюється від -2 до 0:

Процес віддавання електронів, що супроводжується підвищенням ступеня окиснення елемента, називається окисненням.

Електрони, які віддає Сульфур, приєднуються до атомів Брому, ступінь окиснення Брому в цьому разі змінюється від 0 до -1:

Процес приєднання електронів, що супроводжується зниженням ступеня окиснення елемента, називається відновленням.

Наступний етап — підбирання стехіометричних коефіцієнтів для сполук, атоми яких змінюють ступені окиснення. Для цієї реакції баланс «електрон­ного обміну» такий:

Враховуючи те, що кількість відданих відновником електронів повинна дорівнювати кількості електронів, приєднаних окисником, знаходять спіль­ний множник для двох електронно-іонних рівнянь. У цьому разі таким спільним множником буде 2. Отже, з однією молекулою Н₂8 реагує одна молекула брому.

Знайдені коефіцієнти підставляють у схему рівняння реакції і стрілку замінюють на знак дорівнює:

Розглянуте рівняння реакції є найпростішим прикладом окисно-відновно­го процесу. Ознайомимось із складнішими окисно-відновними процесами. Під час взаємодії перманганату калію з йодидом калію за наявності сульфат­ної кислоти малиновий розчин знебарвлюється і виділяється вільний йод. Ця реакція відбувається за схемою

Встановлюємо, що ступінь окиснення Мангану змінився від +7 до +2, а Йоду — від -1 до 0, тобто Манган відновився (перманганат калію — окисник), а Йод — окиснився (йодид калію — відновник).

Щоб розрахувати коефіцієнти перед окисником і відновником, потрібно скласти рівняння електронного балансу:

Враховуючи те. що кількість електронів, відданих Йодом, повинна дорів­нювати кількості електронів, приєднаних Манганом, знаходимо спільний множник для цих двох рівнянь. Ця рівність буде дотримана в тому разі, коли 10 йодид-іонів віддадуть 10 електронів, а два йони Мангану приєднають їх:

Отже, множники 2 і 5 є коефіцієнтами відповідно біля йонів Мангану та Йоду в рівнянні окисно-відновної реакції. Ці коефіцієнти проставляємо в молекулярному рівнянні біля відповідних сполук як основні. Розглянуту реакцію можна записати так:

І, нарешті, визначимо другорядні коефіцієнти, тобто ті, що повинні стояти біля формул сполук елементів, які не змінюють своїх ступенів окиснення. Потрібно зрівняти кількості йонівта атомів Оксигену. Сульфат-іони зв'язують не тільки йониа йони Гідрогену — вісім атомів Окси-

гену. Отже, рівняння матиме такий остаточний вигляд:

Для складання рівнянь окисно-відновних реакцій також застосовують йонно-електронний метод. Так, для розглянутої вище реакції йонно-електрон-ні рівняння матимуть вигляд:

Перше рівняння процесу («напівреакція») — відновлення перманганат-іона — показує, що під час перетворення йона МпО; на катіон Мп²* повинні зв'язатися чотири атоми Оксигену з утворенням чотирьох молекул води. Для цього і потрібно вісім йонів Гідрогену. Друге рівняння процесу («напівреак­ція») — окиснення Йоду — показує, що цей процес відбувається без участі. йонів Гідрогену.

Знайшовши спільний множник для цих двох йонно-електронних рівнянь (двох «напівреакцій»), додають рівняння процесів відновлення й окиснення, враховуючи множники 2 і 5, і дістають сумарне йонне рівняння даної окисно-відновної реакції:

Це рівняння реакції можна подати також і в молекулярному вигляді:

Отже, під час складання рівнянь окисно-відновних реакцій слід дотриму­ватись послідовності дій, наведених нижче.

1. Скласти схему рівняння реакції і зазначити вихідні речовини і продукти
реакції.

2. Визначити ступені окиснення елементів, що входять до складу сполук у
лівій і правій частинах схеми рівняння; виділити елементи, ступені окиснення яких змінюються.

3. Скласти йонно-електронні рівняння напівреакцій окиснення і відновлен­
ня; підібрати коефіцієнти до окисника і відновника для двох напівреакцій,
зрівнюючи кількості відданих і приєднаних електронів.

4. Додати рівняння процесів окиснення і відновлення з урахуванням
підібраних коефіцієнтів.

На процес окислення — відновлення значною мірою впливають концен­трації окисника і відновника. Із збільшенням концентрації окисника або змен­шенням концентрації відновника окиснювальна здатність окисника зростає.

Можливість і характер перебігу окисно-відновного процесу іноді залежить від реакції середовища. Наприклад, у кислому середовищі сильний окисник перманганат-іонвідновлюється доулужному -— йони Мангану

виступають як відновники, окиснюючись доУ

нейтральному і опабколужному середовищах як у процесі окиснення, так і в процесі відновлення сполук Мангану утворюється тетрагідроксид Мангану — У сильнолужному середовищі сполуки Мангану окиснюються та відновлюються до манганат-іона

Вищесказане можна проілюструвати рівняннями реакцій:

у кислому середовищі йонвідновлюється сульфітом натрію до

в нейтральному середовищі — до оксиду МпО₂:

у сильнолужному середовищі —до аніона МпО^:

Вплив середовища на перебіг зазначених реакцій можна пояснити тим, що в кислому середовищі йони Гідрогену спричинюють сильну деформацію перманганат-іонів, послаблюють зв'язок між атомами Мангану й Оксигену, здатні відщеплювати атоми Оксигену й утворювати з ними молекули води. Внаслідок цього відновник реагує активніше.

У нейтральному середовищі аніонидеформуються значно менше,

оскільки поляризаційна дія молекул води значно слабкіша, ніж йонів Н¹.

Гідроксид-іони, навпаки, навіть сприяють зміцненню зв'язку

Якщо внаслідок реакції число атомів Оксигену, зв'язаних з атомом елемента-відновника зростає, то реакція середовища впливає на його відновні властивості. В цьому разі процес легше відбувається в лужному середовищі, оскільки джерелом атомів Оксигену є йониІ, навпаки, в кислому

середовищі краще відбуваються характерні для атома елемента-окисника реакції, внаслідок яких число атомів Оксигену зменшується.

Кисле середовище сприяє процесам, в яких йонівна відновлення відда­ється більше, ніж йонівна окиснення. В протилежних випадках доцільно створювати лужне середовище. Якщо число йонів Н⁺ і ОН, що беруть участь у реакції, однакове, то реакцію можна проводити в нейтральному середовищі.

Для створення кислого середовища використовують розбавлений розчин сульфатної кислоти; розчини нітратної та хлоридної кислот не застосовують, оскільки перша з них є окисником, а друга — відновником.

Для створення лужного середовища використовують водні розчини гідроксиду калію або гідроксиду натрію.

Інколи вплив середовища настільки значний, що зумовлює зміну напрямку процесу. Так, реакція, що описується рівнянням

у лужному середовищі йде вправо, а в кислому — вліво.

У стехіометричних розрахунках для окисно-відновних процесів користу­ються молярними масами еквівалента окисника і відновника.

Молярна маса еквівалента речовини в реакціях окиснення — відновлення дорівнює молярній масі цієї речовини, поділеній на число електронів, які приєднує чи віддає окисник або відновник.

Наприклад, молярна маса еквівалента перманганату калію у реакції

дорівнює

а молярна маса еквівалента сульфіту натрію —

Розрізняють три типи окисно-відновних реакцій: міжмолекулярні, вну-трішньомолекулярні та реакції самоокиснення-самовідновлення (диспропор-ціонування).

Міжмолекулярні реакції відбуваються зі зміною ступеня окиснення атомів у різних молекулах, вони становлять найбільшу групу окисно-відновних реакцій, наприклад:

Під час перебігу міжмолекулярних реакцій обмін електронами відбува­ється між атомами, що входять до складу різних молекул.

Під час перебігу внутрішньомолекулярних окисно-відновних реакцій відбувається зміна ступеня окиснення атомів різних елементів, що входять до складу однієї й тієї самої молекули. До цих реакцій належать окисно-відновні реакції термічного розкладання, наприклад:

Реакції самоокиснення-самовідновлення відбуваються з одночасним збіль­шенням і зменшенням ступеня окиснення атомів одного й того самого еле­мента. Такі реакції можуть відбуватися лише між такими сполуками, в моле­кулах яких є атоми з проміжним ступенем окиснення, тобто такі сполуки можуть бути як окисниками, так і відновниками, наприклад:

Існують деякі складні речовини, які за певних умов зазнають внутріш-ньомолекулярного окиснення — відновлення; у цьому разі одна складова час­тина речовини є окисником, а друга — відновником. Під час перебігу реакцій внутрішньомолекулярного окиснення — відновлення відбувається вирівню­вання ступеня окиснення атомів одного й того самого елемента, тобто ці процеси можна назвати контрдиспропорціонуванням (контрдисмутацією), наприклад:

Такі процеси в неорганічній хімії трапляються значно рідше, ніж реакції диспропорціонування.

Дата добавления: 2014-01-05