Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 7. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦІЇ.ЕЛЕКТРОЛІЗ

§ 7.3. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Применяются два метода составления уравнений окислительно - восстановительных реакций - метод электронного баланса и метод напівреакцій.

Метод электронного баланса. За этим методом сравнивают степени окисления атомов в исходных и конечных веществах, руководствуясь правилом: число электронов, которые отдал восстановителем, должно равняться числу электронов, которые присоединил окислитель. Для составления уравнений нужно знать формулы реагирующих веществ и продуктов реакции. Последние определяются или экспериментально, либо на основе известных свойств элементов. Рассмотрим применение этого метода на примерах.

Пример 1. Составление уравнения реакции меди с раствором нитрата палладия(II). Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции и покажем изменения степеней окисления:

0 +2 +2 0

Сu + Гd(NO₃)₂ = Сu(NО₃)₂ + Pd.

Медь, образуя ион купруму, отдает два электроны, его степень окисления повышается от 0 до +2. Медь - восстановитель. Ион палладия, присоединяя два электрона, меняет степень окисления от +2 до 0. Нитрат палладия(II) - окислитель. Эти изменения можно выразить электронными уравнениями:

с которых следует, что коэффициенты у окисника и восстановителя равны 1. Окончательное уравнение реакции:

Cu + Pd(NO₃)₂ = Сu(NО₃)₂ + Pd.

Как видим, в суммарном уравнении реакции электроны не фигурируют.

Чтобы проверить правильность составленного уравнения, подсчитаем число атомов каждого элемента в его правой и левой частях. Например, в правой части уравнения 6 атомов кислорода в левой - также 6 атомов; палладия - 1 и 1; купруму также 1 и 1. Значит, уравнение составлено правильно.

Перепишем это уравнение в ионной форме:

Cu + Pd²⁺ + 2NO^-₃ = Сu²⁺ + 2NO^-₃ + Pd.

После сокращения одинаковых ионов получим:

Cu + Pd²⁺ = Cu²⁺ + Pd.

Пример 2. Составление уравнения реакции взаимодействия оксида марганца (IV) с концентрированной хлоридной кислотой (с помощью этой реакции в лабораторных условиях добывают хлор). Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции:

НСl + МnО₂ -> l₂ + МnСl₂ + Н₂О.

Покажем изменение степеней окисления атомов до и после реакции:

-1 +4 0 +2

НСl + МnОr -> l₂ + МnСl₂ + Н₂О.

Эта реакция окислительно-восстановительная, поскольку изменяются степени окисления атомов хлора и марганца. НСl - восстановитель, МnО₂ - окислитель. Составляем электронные уравнения:

и находим коэффициенты у восстановителя и окисника. Они соответственно равны 2 и 1. Коэффициент 2 (а не 1) ставится потому, что два атома хлора со степенями окисления -1 отдают 2 электрона. Этот коэффициент уже стоит в электронном уравнении:

2НСl + МnO₂ -> l₂ + МnСl₂ + Н₂О.

Находим коэффициенты для других веществ, реагируют. Из электронных уравнений видно, что на 2 моль НСl приходится 1 моль МnОr. Однако, учитывая, что для связывание двухзарядного иона марганца, который образуется, нужно еще 2 моль кислоты, перед восстановителем следует поставить коэффициент 4. Тогда воды образуется 2 моль. Окончательное уравнение имеет вид:

4НСl + МnО₂ = Сl₂ + МnСl₂ + 2Н₂О.

Проверку правильности написания уравнение можно ограничить подсчетом числа атомов одного какого-либо элемента, например хлора: в левой части уравнения их 4 и в правой 2 + 2 = 4.

Поскольку в методе электронного баланса изображаются уравнения реакций в молекулярной форме, то после составления и проверки их надо написать в ионной форме:

и после сокращения одинаковых ионов в обеих частях уравнения (они подчеркнуты) получим:

4Н⁺ + 2Сl^- + МnО₂ = Сl₂ + Mn²⁺ + 2Н₂О.

Пример 3. Составление уравнения реакции взаимодействия сероводорода с підкисленим раствором перманганата калия.

Напишем схему реакции - формулы исходных и полученных веществ:

H₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ ->S + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О.

Затем, отметим смену ступеней окисления атомов до и после реакции:

-2 +7 0 +2

H₂S + КМnO₄ + H₂SO₄ -> S + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О.

Меняются степени окисления у атомов серы и марганца (H₂S - восстановитель, КМnO₄ - окислитель). Составляем электронные уравнения, т.е. изображаем процессы отдачи и присоединения электронов:

И, наконец, находим коэффициенты у окисника и восстановителя, а потом у других реагирующих веществ. Из электронных уравнений видно, что нужно взять 5 моль H₂S и 2 моль КМnO₄, тогда добудем 5 моль атомов S и 2 моль MnSO₄. Кроме того, из сопоставления атомов в левой и правой частях уравнения находим, что образуется также 1 моль K₂SO₄ и 8 моль воды.

Окончательное уравнение реакции будет иметь вид:

5H₂S + 2КМnO₄ + 3H₂SO₄ = 5S + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8Н₂О.

Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом числа атомов одного элемента, например кислорода; в левой части уравнения их 2 ∙ 4 + 3 ∙ 4 = 20 и в правой 2 ∙ 4 + 4 + 8 = 20.

Переписываем уравнение в ионной форме:

5H₂S + 2MnO₄ + 6Н⁺ = 5S + 2Мn²⁺ + 8Н₂O.

Известно, что правильно написано уравнение реакции выражает закон сохранения массы вещества. Поэтому число одних и тех самих атомов в исходных веществах и в продуктах реакции должно быть одинаковым. Должны храниться и заряды.

Сумма зарядов исходных веществ всегда должен быть равен сумме зарядов продуктов реакции. Метод напівреакцій, или ионно-электронный метод. Как видно из самого названия, этот метод основывается на составлении ионных уравнений для процесса окисления и процесса восстановления с последующим составлением общего уравнения. В качестве примера составим уравнение той самой реакции, которую использовали при объяснении метода электронного баланса (см. пример 3). Во время пропускания сероводорода H₂S через подкисленный раствор перманганата калия КМnВg малиновая окраска исчезает и раствор мутнеет. Опыт показывает, что помутнение раствора вызвано образованием элементарной серы вследствие протекания такого процесса:

H₂S -> S + 2Н⁺.

Эта схема уравнена по числу атомов. Для уравнивания по числу зарядов нужно от левой части схемы вычесть два электроны, после чего стрелку можно заменить знаком равенства:

H₂S - 2е^- = S + 2Н⁺.

Это первая напівреакція - процесс окисления восстановителя H₂S. Обесцвечивание раствора обусловлено переходом иона МnО^-, (он имеет малиновую окраску) в ион Мn²⁺ (практически бесцветный и только за большой концентрации имеет слабо-розовое окрашивание), что можно выразить схемой МnО^-₄ Мn²⁺.

В кислом растворе кислород, входит в состав ионов МnОg, вместе с ионами водорода образует воду. Поэтому процесс перехода записываем так:

МnВ^-₄ + 8Н⁺ -> Мn²⁺ + 4Н₂О.

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

МnВ^-₄ + 8Н⁺ + 5е^- = Мn²⁺ + 4Н₂О.

Это вторая напівреакція - процесс восстановление окисника, то есть перманганат-иона МnO^-₄ .

Для составления общего уравнения реакции надо уравнение напівреакцій почленно добавить, предварительно сравняв числа отданных и присоединенных электронов. В этом случае по правилам нахождения наименьшего кратного определяют соответствующие множители уравнений напівреакцій. Сокращенная запись имеет такой вид:

5H₂S + 2МnO^-₄ + 16Н⁺ = 5S + 10Н⁺ + 2Mn²⁺ + 8Н₂О.

И, сократив на 10⁺, окончательно получим:

5H₂S + 2MnO^-₄ + 6Н⁺ = 5S + 2Мn²⁺ + 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, поскольку атомы и заряды уравнены.

Методом напівреакцій состоит уравнения реакций в ионной форме. Чтобы от него перейти к уравнения реакций в молекулярной форме, делаем так: в левой части ионного уравнения для каждого аниона подбираем соответствующий катион, а для каждого катиона - анион. Потом те сами ионы в таком же количестве записываем в правую часть уравнения, после чего ионы объединяем в молекулы:

5H₂S + 2МnO^-₄ + 6Н⁺ = 5S + 2Мn²⁺ + 8Н₂О;

2К + 3SO^-₄ = 2К⁺ + 3SO^-2₄;

__________________________________________________

5H₂S + 2КМnO₄ + 3H₂SO₄ = 5S + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8Н₂О.

Следовательно, составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом напівреакцій дает такой же результат, как и по методу электронного баланса.

Сравним оба метода. Преимущества метода напівреакцій сравнению с методом электронного баланса в том, что в нем применяются не гипотетические ионы, а те, что реально существуют.

                                                    +7 +6 +6+4

На самом деле в растворе нет ионов Mn, Cr, S, S, а есть ионы МnO^-₄, Сr^2-₄ , СrO^2-₄ , SO^2-₄ , SO^2-₃ . В методе напівреакцій не надо знать степени окисления атомов. Написание отдельных ионных уравнений напівреакцій необходимое для понимания химических процессов в гальваническом элементе и во время электролиза. В этом методе видна роль среды как активного участника всего процесса (см. § 7.4). Наконец, при использовании метода напівреакцій не обязательно знать все вещества, что образуются, они появляются в уравнении реакции во время его выведения. Поэтому метода напівреакцій следует отдавать преимущество и применять его во время составления уравнений всех окислительно - восстановительных реакций, происходящих в водных растворах.