Составление уравнений окислительно- восстановительных реакций

Существует несколько методов составления уравнений ОВР. Все методы основываются на уравнивании числа отданных и принятых электронов.

Для составления уравнений окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих в растворах электролитов, используют метод электронно-ионных полуреакций.

Метод электронно-ионных полуреакций

Составление уравнений ОВР данным методом рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

• рассчитать степени окисления атомов элементов и по изменению степеней окисления определить окислитель и восстановитель;

• составить ионную схему реакции, выделить окислительно-восстановительные пары;

• составить электронно-ионные уравнения полуреакций окисления и восстановления, в которых уравнять число атомов элементов и заряд обеих частей полуреакций в определённой очерёдности:

• число атомов элементов, отличающихся от кислорода и водорода,

• число атомов кислорода,

• число атомов водорода,

• заряд обеих частей полуреакций;

• суммировать уравнения полуреакций с учётом дополнительных множителей, подобранных таким образом, чтобы уравнять число принятых и отданных электронов;

• в полученном ионном уравнении при необходимости выполнить алгебраические преобразования, и на его основе составить молекулярное уравнение.

Последовательность составления уравнений рассмотрим на конкретных примерах ОВР с заданными продуктами.

Пример 1. Реакция в кислой среде между перманганатом калия и нитритом натрия. Схема реакции:

• Составляем ионную схему реакции, записав, как в ионных уравнениях, сильные растворимые электролиты в виде ионов, а остальные вещества виде молекул:

K⁺ + MnO₄^ + NO₂ ^ + 2H⁺ + SO₄^2  Mn²⁺ + NO₃^ + .

Рассчитываем степени окисления элементов, определяем окислитель и его восстановленную форму, восстановитель и его окисленную форму – окислительно-восстановитель-ные пары:

MnO₄^  Mn²⁺;

NO₂^  NO₃^.

• Составляем уравнения полуреакций. Уравниваем в левой и правой частях каждой полуреакции число атомов всех элементов. Число атомов марганца и азота одинаково в обеих частях полуреакций. Уравнивание числа атомов кислорода и водорода выполняют с учётом среды, в которой происходит реакция. Если ОВР проходит в кислой среде, для уравнивания числа атомов кислорода и водорода в уравнения полуреакций можно включать только молекулы воды и ионы водорода:

MnO₄^ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O

NO₂^ + H₂O → NO₃^ + 2H⁺.

Таким образом, чтобы уравнять число атомов кислорода, а затем атомов водорода в кислой среде, необходимо в ту часть уравнения полуреакции, где недостаёт n атомов кислорода, вписать n молекул воды, а в противоположную часть 2n ионов водорода.

• Уравниваем сумму зарядов ионов в левой и правой частях полуреакций, записывая в левую часть необходимое число электронов со знаками (+) или (–).

В первой полуреакции алгебраическая сумма зарядов ионов в левой части равна 1 + 8(+1) = +7, в правой равна +2, для уравнивания зарядов необходимо к левой части прибавить 5 электронов.

MnO₄^ + 8H⁺ + 5 = Mn²⁺ + 4H₂O.

В левой части второй полуреакции надо вычесть 2 элек-трона:

NO₂^ + H₂O  2 = NO₃^ + 2H⁺.

• Уравниваем число отданных и принятых электронов наименьшими множителями – коэффициентами и суммируем уравнения, умножив каждое слагаемое на соответствующий коэффициент:

MnO₄^ + 8H⁺ + 5 = Mn²⁺ + 4H₂O 2

NO₂^ + H₂O  2 = NO₃^ + 2H⁺ 5

2MnO₄^ + 5NO₂^ +16H⁺ +5H₂O = 2Mn²⁺ + 5NO₃^ + 10H⁺ + 8H₂O

• Приводим подобные члены в суммарном уравнении

2MnO₄^ + 5NO₂^ + 6H⁺ = 2Mn²⁺ + 5NO₃^ +3H₂O,

и по полученному краткому ионному уравнению дописы-ваем молекулярное уравнение:

2KMnO₄+ 5NaNO₂+H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5NaNO₃ +3H₂O + K₂SO₄.

• (Пояснить появление K₂SO₄ в продуктах реакции) Уравнение считается законченным, когда в продуктах реакции и исходных веществах содержится одинаковое число атомов каждого элемента.

Пример 2. Реакция между сульфатом марганца (II) и гипохлоритом калия в щелочной среде:

MnSO₄ + KClO + NaOH  MnO₂ + Cl^– + ….

Уравнение составляем в той же последовательности, которая приведена для реакций в кислой среде.

• Ионная схема реакции:

Mn²⁺ + SO₄^2– + K⁺ + ClO^– + Na⁺ + OH^–  MnO₂ + Cl^– +...

• Схемы полуреакций:

Mn²⁺  MnO₂,

ClO^–  Cl^–.

В исходных реагентах дана щелочь – NaOH, поэтому уравнения полуреакций составляем с учетом щелочной среды: число атомов кислорода и водорода уравниваем гидроксид-ионами ОН^ и молекулами воды:

Mn²⁺ + 4OH^–  MnO₂ + 2H₂O,

ClO^– + H₂O  Cl^– + 2OH^–.

Чтобы уравнять число атомов кислорода, а затем атомов водорода в щелочной среде, необходимо в ту часть уравнения полуреакции, где недостаёт n атомов кислорода, вписать 2n гидроксид-ионов ОН^, а в противоположную часть n молекул воды.

• Уравниваем заряды левой и правой частей уравнений полуреакций:

Mn²⁺ + 4OH^– –2 = MnO₂ + 2H₂O,

ClO^– + H₂O + 2 = Cl^– + 2OH^–,

т.е. первая полуреакция - окисление восстановителя, вторая восстановление окислителя.

• Суммируем уравнения полуреакций:

Mn²⁺ + 4OH^– –2 = MnO₂ + 2H₂O 1

ClO^– + H₂O + 2 = Cl^– + 2OH^– 1

Mn²⁺ + ClO^– + 4OH^– + H₂O = MnO₂ + Cl^– + 2H₂O + 2OH^–

• Приводим подобные члены:

Mn²⁺ + ClO^– + 2OH^– = MnO₂ + Cl^– + H₂O.

Молекулярное уравнение:

MnSO₄ + KClO + 2NaOH = MnO₂ + KCl + H₂O + Na₂SO₄.

Пример 3. Реакция между перманганатом калия и нитритом натрия в нейтральной среде:

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂O  MnO₂ + NO₃^– + ….

Будем придерживаться рекомендованной ранее последо-вательности операций.

• В ионную схему можно не включать молекулы и ионы, не участвующие в полуреакциях:

MnO₄^ + NO₂^ + H₂O  MnO₂ + NO₃^– +….

• Схемы полуреакций:

MnO₄^  MnO₂,

NO₂^  NO₃^–.

• При составлении уравнений реакций, протекающих в нейтральной среде, необходимо иметь в виду, что в левой части уравнений полуреакций не должно быть ионов Н⁺ и ОН^, а в правой части эти ионы можно использовать.

Соответствующие уравнения полуреакций:

MnO₄^ + 2H₂O + 3  MnO₂ + 4OH^–

NO₂^ + H₂O – 2  NO₃^ + 2H⁺

Таким образом, в нейтральной среде число атомов кислорода и водорода уравнивают по-разному, в зави-симости от того, в какую часть полуреакции необходимо ввести недостающие атомы. Если в правой части уравнения полуреакции недостаёт n атомов кислорода, в неё следует добавить 2n гидроксид-ионов, а в левую часть – n молекул воды. Если в левой части уравнения полуреакции недостаёт n атомов кислорода, в неё следует добавить n молекул воды, а в правую часть – 2n ионов водорода.

• Суммируем уравнения полуреакций:

MnO₄^ + 2H₂O + 3  MnO₂ + 4OH^– 2

NO₂^ + H₂O – 2  NO₃^ + 2H⁺ 3

2MnO₄^ +3NO₂^ + 4H₂O + 3H₂O = 2MnO₂ + 3NO₃^– + 8OH^ + 6H⁺

7H₂O 6H₂O+2OH^

• После объединения ионов OH^ и H⁺ в молекулы воды приводим подобные члены и получаем ионное уравнение реакции:

2MnO₄^ + 3NO₂^ + H₂O = 2MnO₂ + 3NO₃^– + 2OH^,

молекулярное уравнение:

2KMnO₄ + 3NaNO₂ + H₂O = 2MnO₂ + 3NaNO₃ + 2KOH.

Представим схематически уравнивание числа атомов кислорода и водорода в различных средах, (обозначаем - атом кислорода в составе сложной частицы):

кислая среда - + 2Н⁺ = Н₂О,

Н₂О = + 2Н⁺;

щелочная среда - + Н₂О = 2ОН^,

2ОН^ = + Н₂О;

нейтральная среда + Н₂О = 2ОН^,

Н₂О = + 2Н⁺.

Очевидно, что для уравнивания числа атомов кислорода существует всего два отличающихся приёма: добавление в ту часть уравнения полуреакции, где недостаёт n атомов кислорода, 2n гидроксид-ионов (если это позволяет данная среда), или n молекул воды.