Метод электронно-ионного баланса
(Метод полуреакций)
Этот методоснован на составлении частных уравнений для реакций окисления и восстановления с последующим суммированием их в общее уравнение реакции. Формулы, неизменяющихся в результате реакции ионов, в схему не включаются.
Например, для реакции
К2Cr2 О7 + FеSО4 + Н2SО4 → Cr2(SО4)3 + Fе2(SО4)3 + К2SО4 +Н2О;
Cr2 О7 2- + Fе2+ + Н+ → Cr3+ + Fе3+ + Н2О.
Видно, что в процессе этой реакции ионы Cr2 О7 2- восстанавли- ваются до ионов Cr3+, а ионы Fе2+ окисляются до ионов Fе3+.
Fе2+ – е– = Fе3+
восстановленная окисленная
форма форма
(частное уравнение реакции окисления иона восстановителя)
Для баланса в частное уравнение реакции восстановления окислителя необходимо добавить 14 моль атомов (ионов) водорода, чтобы связать атомы кислорода в молекулы воды. Для баланса зарядов в левую часть уравнения нужно добавить 6 моль электронов:
Cr2 О7 2- + 14Н+ + 6е– = 2Cr3+ + 7Н2О.
окисленная восстановленная
форма форма
Для составления сокращённого ионного уравнения реакции суммируем частные уравнения реакций окисления и восстановления. При этом частные уравнения умножаем на коэффициенты, которые удовлетворяли бы принципу: число отданных восстановителем электронов равно числу принятых окислителем электронов:
| Fе2+ – е– = Fе3+ Cr2 О7 2- + 14Н+ + 6е– = 2Cr3+ | |||
Cr2 О7 2- + 6Fе2+ + 14Н+ = 2Cr3+ + 6Fе3+ + 7Н2О.
Дописывая к левой и правой частям уравнения формулы ионов K и SO42-, которые имеются в растворе, и соединяя их с противоионами, получим уравнение реакции в молекулярной форме:
2K++Cr2O72-+6Fe2++3SO42-+14H+ + 7 SO42- = 2Cr3++3 SO42-+6Fe3++9 SO42- + 2K+ +SO42-
K2Cr2O7 + 6Fe SO4+7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2 (SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Достоинства метода полуреакций:
• в этом методе учитываются реально существующие ионы (МnО4–,
Cr2O72–, CrO42–, SО32– и др.);
• не нужно знать степень окисления атомов элементов;
• видна роль среды как активного участника процесса;
• не нужно знать все образующиеся вещества, химические формулы
которых появляются при выводе общего уравнения реакции.
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ХАРАКТЕР ПРОТЕКАНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
Многие окислительно-восстановительные реакции протекают по-разному в зависимости от характера среды (кислотная – избыток ионов Н+, нейтральная – Н2О, щелочная – избыток ионов ОН–).
Степень восстановления перманганат-иона в КМnО4 в зависимости от рН среды:
Кислотная среда – рН < 7:
SO32– + MnO4– → SO42– + Mn2+ + …
Воспользуемся методом полуреакций:
| SО32– + Н2О – 2е– = SO42– + 2Н+ МnО4– + 8Н+ + 5е– = Мn+2 + 4Н2О | 2 |
5SО32– + 2MnO4– + 6H+ = 5SО42– + 2Mn2+ + 3Н2O.
Если используются сульфит и перманганат калия, то
5К2SO3 + 2КМnO4 + 3Н2SO4 = 2МnSO4 + 6К2SO4 + 3Н2O.
Нейтральная среда – рН = 7:
SO32– + MnO4– → SO42– + MnO2 + …
| SO32– + Н2O – 2е– = SO42– + 2H+ МnО4– + 2Н2O + 3e– = МnО2 + 4ОН– |
3SО32– + 2MnO4– + H2O = 3SО42– + 2MnO2 + 2OH–.
Если используются сульфит натрия и перманганат калия, то
3Nа2SО3 + 2КМnО4 + Н2О = 3Nа2SО4 + 2МnО2↓ + 2КОН.
Щелочная среда – рН > 7:
SO32– + MnO4– → SO42– + MnO42– + …
| SO32– + 2OH– – 2е– = SO42– + H2O МnО4– + e– = МnО42– |
SО32– + 2MnO4– + 2OH– = SО42– + 2MnO42– + H2O.
Если используются сульфит и перманганат калия, то
2КМnО4 + К2SО3 + 2КОН = 2К2МnО4 + К2SО4 + Н2О.
Восстановление пероксида водорода в зависимости от кислотности среды:
Кислотная среда:
| Fе2+ – e–=Fе3+ Н2О2 + 2Н+ + 2e– = 2H2O |
2Fе2+ + Н2O2 + 2Н+ = 2Fе3+ + 2Н2O
или
2FеSO4 + Н2O2 + Н2SO4 = Fе2(SО4)3 + 2Н2О.
Щелочная среда:
| Fе2+ – e–=Fе3+ Н2О2 + 2е– = 2ОН– |
2Fе2+ + Н2О2 = 2Fе3+ + 2OН–,
но чтобы ионы Fе3+ могли полностью прореагировать с ионами ОН–, необходимо как минимум три иона ОН–, поэтому умножим уравнение на 3:
6Fе2+ + 3Н2О2 = 6Fе3+ + 6OН–
или
6Fе2+ + 3Н2О2 = 4Fе3+ + 2Fe(OН)3
6FеSO4 + 3Н2O2 = 2Fе2(SО4)3 + 2Fe(OН)3↓.
В реакциях с очень сильным окислителем пероксид водорода – восстановитель:
| Н2O2 – 2е– = O2 + 2Н+ МnО4– + 8Н+ + 5е– = Мn+2 + 4Н2О |
5Н2О2 + МnО4– + 6Н+ = 5О2 + 2Мn+2 + 8Н2O.
5Н2O2 + 2КМnO4 + 3Н2SO4 = 5O2↑ + 2МnSO4 + К2SO4 + 8Н2О.