Метод ионно-электронного баланса
Главные этапы составления уравнений по этому методу следующие:
1) составить схему реакции с указанием исходных и образующихся веществ;
2) определить степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ и продуктов реакции, указать окислитель и восстановитель;
3) записать схемы полуреакций окисления и восстановления в ионно-молекулярной форме. При этом сильные электролиты записываются в виде ионов, а слабые электролиты, нерастворимые вещества и газы в молекулярном виде;
4) уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций. Принять во внимание, что в водных растворах могут участвовать молекулы воды, ионы Н+ или ОН-. При этом надо учесть, что в водных растворах связывание избыточного кислорода происходит по-разному в зависимости от кислотности среды. В кислых растворах избыток атомов кислорода связывается ионами водорода с образованием молекул воды, а в нейтральных и щелочных растворах молекулами воды с образованием ионов гидроксида;
5) уравнять суммы зарядов в левой и правой части каждой полуреакции, прибавив или отняв необходимое число электронов;
6) подобрать коэффициенты к полуреакциям таким образом, чтобы число электронов, отданных восстановителем, было равно числу электронов, полученных окислителем;
7) суммировать полуреакции в полное ионно-электронное уравнение, при этом электроны должны сократиться;
8) записать реакцию в молекулярной форме с добавлением ионов, не участвующих в процессе окисления-восстановления.
Пример 4. Уравнять реакцию методом ионно-электронного баланса, указать окислитель и восстановитель:
а) KMnO4 + H2SO4 + KI ® I2 + MnSO4 + H2O + K2SO4
б) K2CrO4+ KOH + H2O+ K[Sn(OH)3]®K3[Cr(OH)6]+K2[Sn(OH)6]
Решение. а) Рассмотрим реакцию
KMnO4 + H2SO4 + KI ® I2 + MnSO4 + H2O + K2SO4
Рассчитаем степени окисления элементов, входящих в состав исходных и конечных веществ.
K+Mn+7O4-2 + H2+S+6O4-2 + K+I-® I20 + Mn+2S+6O4-2 + H2+O-2 + K2+S+6O4-2
Укажем окислитель (KMnO4) и восстановитель (KI).
Определим, какие ионы существуют в растворе, и запишем схемы полуреакций с учетом того, что в водных растворах могут участвовать молекулы воды, ионы Н+ или ОН-:
MnO4- + H+ ® Mn2+ + H2O
I- ® I20
Уравняем число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций:
MnO4- + 8H+ ® Mn2+ + 4H2O
2I- ® I20
Затем сбалансируем число зарядов в обеих частях каждой из полуреакций, прибавив или отняв необходимое количество электронов. В результате получим:
MnO4- + 8H+ + 5 e ® Mn2+ + 4H2O
2I- - 2 e ® I20
Принимая во внимание, что число электронов, отданных восстановителем должно быть равно числу электронов, принятых окислителем, подберем соответствующие множители для полуреакций.
2 ´½ MnO4- + 8H+ + 5 e ® Mn2+ + 4H2O процесс восстановления
5 ´½ 2I- - 2 e ® I20 процесс окисления
Умножим уравнения полуреакций на соответствующие коэффициенты и произведем алгебраическое суммирование:
2MnO4- + 16H+ + 10 e ® 2Mn2+ + 8H2O
+
10 I--10 e ®5 I20
___________
2MnO4-+16H++10 I-=2Mn2++8H2O +5 I20
Это сокращенное ионное уравнение. Теперь можно перейти к молекулярному уравнению
2KMnO4 + 8H2SO4 + 10KI ® 5I2 + 2MnSO4 + 8H2O + 6K2SO4
Рассмотрим реакцию
K2CrO4 + KOH + H2O + K[Sn(OH)3]®K3[Cr(OH)6] + K2[Sn(OH)6]
Рассчитаем степени окисления элементов, входящих в состав исходных и конечных веществ:
K2+Cr+6O4-2 + K+O-2H+ + H2+O-2 + K+[Sn+2(O-2H+)3] ®
® K3+[Cr+3(O-2H+)6] + K2+[Sn+4(O-2H+)6]
Определим окислитель (K2CrO4) и восстановитель (K[Sn(OH)3]).
Запишем в ионном виде полуреакции окисления-восстановления с учетом реально существующих ионов и молекул. Примем также во внимание, что среда, в которой протекает реакция, является щелочной, поэтому для связывания избытка атомов кислорода используются молекулы воды:
CrO42- + 4H2O ® [Cr(OH)6] 3-+ 2OH-
[Sn(OH)3]- + 3OH- ® [Sn(OH)6] 2-
Сбалансируем число зарядов в левой и правой частях уравнения:
CrO42- + 4H2O + 3 e ® [Cr(OH)6] 3-+ 2OH-
[Sn(OH)3]- + 3OH- - 2 e ® [Sn(OH)6] 2-
Подберем множители (коэффициенты) для полуреакций таким образом, чтобы число электронов, принятых окислителем было равно числу электронов, отданных восстановителем:
2 ´½ CrO42- + 4H2O + 3 e ® [Cr(OH)6] 3-+ 2OH-
3 ´½ [Sn(OH)3]- + 3OH- - 2 e ® [Sn(OH)6] 2-
Умножим уравнения полуреакций на соответствующие коэффициенты и произведем алгебраическое суммирование:
2 CrO42- + 8H2O + 3[Sn(OH)3]- + 9OH- = 2[Cr(OH)6] 3- + 4OH- + 3[Sn(OH)6] 2-
Сократим группы OH- в левой и правой части реакции, запишем сокращенное ионное уравнение:
2CrO42- + 8H2O + 3[Sn(OH)3]- + 5OH- = 2[Cr(OH)6] 3- + 3[Sn(OH)6] 2-
Переходим далее к окончательному уравнению в молекулярной форме:
2K2CrO4 + 5KOH + 8H2O + 3K[Sn(OH)3]®2K3[Cr(OH)6] + 3K2[Sn(OH)6]
Метод ионно-электронного баланса более нагляден по сравнению с методом электронного баланса. Достоинством этого метода является то, что он учитывает характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) и реальное состояние частиц в растворе. Метод электронного баланса менее нагляден, но зато более универсален и позволяет составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций, происходящих не только в водных растворах, но и, например, в неводных растворителях или в воздушной среде.