Составление материального баланса в полуреакциях

Баланс начинают с элементов, меняющих степени окисления. В примере (а), рассмотренном выше, такой баланс не требуется, т.к. в первой полуреакции слева и справа – равное число атомов висмута, а во второй полуреакции – равное число атомов марганца.

В примере (б) такой баланс необходимо сделать и по хрому (в первой полуреакции), и по углероду (во второй полуреакции):

Cr₂O₇^2– ® 2Cr³⁺

H₂C₂O₄ ® 2CO₂

Баланс по другим элементам, входящим в состав окислителя (восстановителя) и продуктов их превращения, чаще всего включает баланс по кислороду и по водороду.

В водных растворах баланс по этимэлементам выполняют:

– в кислой среде – с помощью молекул воды и ионов водорода;

– в щелочной среде – с помощью молекул воды и гидроксид-ионов;

– в нейтральной среде – с помощью молекул воды и ионов H⁺ или OH^–.

Баланс по кислороду в кислой среде делают, добавляя соответствующее число молекул H₂O в ту часть полуреакции, где дефицит кислорода, а в противоположную часть полуреакции добавляют удвоенное число ионов Н⁺.

Примеры:

а) BiO₃^– ® Bi³⁺

В правой части полуреакции недостает трех атомов кислорода – вводим их, с помощью трех молекул H₂O, добавляя при этом в левую часть шесть ионов H⁺: BiO₃^– + 6H⁺ ® Bi³⁺ + 3H₂O

б) MnO₂ ® MnO₄^–

В этой полуреакции – дефицит кислорода в левой части (на два меньше, чем в правой части), поэтому в левую часть полуреакции добавляем две молекулы H₂O, а в правую часть – четыре иона H⁺: MnO₂ + 2H₂O ® MnO₄^– + 4H⁺

в) Cr₂O₇^2– ® 2Cr³⁺

После баланса по хрому (см. выше) делаем баланс по кислороду: в правой части недостает семи атомов кислорода, поэтому вправо добавляем семь молекул H₂O и влево, соответственно, – четырнадцать ионов H⁺:

Cr₂O₇^2– + 14H⁺ ® 2Cr³⁺ + 7H₂O

г) H₂C₂O₄ ® 2CO₂

В этом примере после баланса по углероду оказался сбалансированным и кислород (по четыре атома слева и справа). Однако пока нет баланса по водороду.

Баланс по водороду в кислой среде делают, добавляя соответствующее число ионов H⁺ в ту часть полуреакции, где имеется дефицит атомов водорода.

В нашем примере в левой части имеются два атома водорода, а в правой их нет – дописываем в правую часть 2H⁺:

H₂C₂O₄ ® 2CO₂ + 2H⁺

д) As₂O₃ ® AsH₃

В этой полуреакции необходимо сделать баланс и по мышьяку, меняющему степень окисления, и по кислороду, и по водороду. После баланса по мышьяку и кислороду, как описано ранее, получим:

As₂O₃ + 6H⁺ ® 2AsH₃ + 3H₂O

При этом справа остались еще шесть несбалансированных атомов водорода, в 2AsH₃, (они подчеркнуты), поэтому добавим в левую часть полуреакции еще шесть ионов H⁺ и тогда получим окончательно:

As₂O₃ + 12H⁺ ® 2AsH₃ + 3H₂O

Баланс по кислороду в щелочной среде делают, добавляя соответствующее число молекул H₂O в ту часть полуреакции, где кислород в избытке, а в противоположную часть – удвоенное число ионов OH^–.

Примеры

а) NO ® NO₃^–

В правой части полуреакции два атома кислорода – в избытке, поэтому добавляем в правую часть две молекулы H₂O, а в противоположную часть – четыре иона OH^–, в результате получим: NO + 4OH^– ® NO₃^– + 2H₂O

б) ClO₃^– ® Cl^–

В этом примере избыток кислорода в левой части полуреакции – добавляем влево три молекулы H₂O, а вправо – шесть ионов OH^–, в результате получим:

ClO₃^– + 3H₂O ® Cl^– + 6OH^–

Баланс по водороду в щелочной (и нейтральной) средеделают, добавляя соответствующее число молекул H₂O в ту часть полуреакции, где имеется дефицит атомов водорода, а в противоположную часть – такое же число ионов OH^–.

Примеры

а) P ® PH₃

В левой части полуреакции не хватает трех атомов водорода, поэтому добавляем влево три молекулы H₂O, а вправо – три иона OH^–:

P + 3H₂O ® PH₃ + 3OH^–

б) NO₃^– ® NH₃

В этой полуреакции левая и правая части различаются по числу атомов и кислорода, и водорода. После баланса по кислороду получим:

NO₃^– + 3H₂O ® NH₃ + 6OH^– – при этом справа остались несбалансированными еще три атома водорода, поэтому добавим в левую часть полуреакции еще три молекулы H₂O, а в правую – еще три иона OH^–, и тогда получим окончательно

NO₃^– + 6H₂O ® NH₃ + 9OH^–

Нередки случаи, когда материальный баланс по водороду и кислороду в щелочной среде можно сделать одновременно с помощью только гидроксид–ионов, например в полуреакции Zn ® [Zn(OH)₄]^2– для обеспечения материального баланса достаточно добавить влево четыре иона OH^–:

Zn + 4OH^– ® [Zn(OH)₄]^2–

В следующем примере этот прием не так очевиден, но также реализуется:

P + 2OH^– ® H₂PO₂^–

Нейтральная среда. Обратите внимание, что в нейтральной среде источник ионов H⁺ и OH^– – молекулы воды. В этих случаях баланс по кислороду делают, добавляя соответствующее число H₂O в левую часть первой полуреакции и в правую часть второй полуреакции. Если в результате H₂O оказалась там, где кислород в недостатке, то в противоположную часть добавляют удвоенное число H⁺, если кислород был в избытке, то в противоположную часть добавляют удвоенное число OH^–.

Такой прием уменьшает вероятность типичной для нейтральной среды ошибки, когда в молекулярном уравнении в продуктах оказываются одновременно и кислота, и щелочь.

Примеры

Для реакции KMnO₄ + KNO₂ + H₂O ® MnO₂ + KNO₃ + KOH

можно составить две идентичные схемы превращений:

а) MnO₄^– ® MnO₂ б) NO₂^– ® NO₃^–

NO₂^– ® NO₃^– MnO₄^– ® MnO₂;

Начнем с варианта (а): для баланса по кислороду добавим молекулы H₂O в левую часть первой полуреакции и в правую часть второй полуреакции:

а) MnO₄^– + H₂O ® MnO₂

NO₂^– ® NO₃^– + H₂O

При этом оказалась ситуация, рассмотренная ранее при балансе по кислороду в щелочной среде (воду добавили в ту часть полуреакций, где кислород в избытке). Тогда число молекул H₂O должно быть равно числу избыточных атомов кислорода, и в противоположную часть необходимо добавить удвоенное число ионов OH^–. Окончательно получим:

а) MnO₄^– + 2H₂O ® MnO₂ + 4OH^–

NO₂^– + 2OH^– ® NO₃^– + H₂O

В варианте (б) для баланса по кислороду также добавим молекулы H₂O в левую часть первой полуреакции и в правую часть второй полуреакции:

б) NO₂^– + H₂O ® NO₃^–

MnO₄^– ® MnO₂ + H₂O

В этом случае H₂O оказалась в той части полуреакций, где дефицит кислорода. Подобно тому, как это рассмотрено ранее для кислой среды, число молекул H₂O должно равняться числу недостающих атомов кислорода, и в противоположную часть следует добавить удвоенное число ионов H⁺:

NO₂^– + H₂O ® NO₃^– + 2H⁺

MnO₄^– + 4H⁺ ® MnO₂ + 2H₂O

Следует отметить, что описанные здесь приемы составления материального баланса – чисто технические и совсем не обязательно отражают действительный механизм переноса атомов из одних молекул или ионов в другие.