Метод ионно-электронный (метод полуреакций; метод ионно-электронного баланса)

Данный метод учитывает среду раствора, дает представление о характере частиц реально существующих и взаимодействующих в растворах. Остановимся на нем более подробно.

Алгоритм подбора коэффициентов в уравнениях ОВР методом ионно-электронного баланса:

1. Составить молекулярную схему реакции с указанием исходных веществ и продуктов реакции.

2. Составить полную ионно-молекулярную схему реакции, записывая слабые электролиты, малорастворимые, нерастворимые и газообразные вещества в молекулярном виде, а сильные электролиты – в ионном.

3. Исключив из ионно-молекулярной схемы ионы, не изменяющиеся в результате реакции (без учета их количества), переписать схему в кратком ионно-молекулярном виде.

4. Отметить элементы, изменяющие в результате реакции степень окисления; найти окислитель, восстановитель, продукты восстановления, окисления.

5. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления, для этого:

а) указать восстановитель и продукт окисления, окислитель и продукт восстановления;

б) уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций (выполнить баланс по элементам) в последовательности: элемент, изменяющий степень окисления, кислород, другие элементы; при этом следует помнить, что в водных растворах в реакциях могут участвовать молекулы Н₂О, ионы Н⁺ или ОН ^– в зависимости от характера среды:

Процесс	Кислая среда	Нейтральная среда	Щелочная среда
Связывание избытка кислорода	О-2+2Н+ =Н2О	О-2+Н2О=2ОН ˉ	О-2+Н2О=2ОН ˉ
Восполнение недостатка кислорода	Н2О= О-2+2Н+	Н2О = О-2+2Н+	2ОН ˉ=О-2+Н2О

в) уравнять суммарное число зарядов в обеих частях полуреакций; для этого прибавить или отнять в левой части полуреакций необходимое число электронов (баланс по зарядам).

6. Найти наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных и полученных электронов.

7. Найти основные коэффициенты при каждой полуреакции. Для этого полученное в п.6 число (НОК) разделить на число электронов, фигурирующих в данной полуреакции.

8. Умножить полуреакции на полученные основные коэффициенты, сложить их между собой: левую часть с левой, правую – с правой (получить ионно-молекулярное уравнение реакции). При необходимости “привести подобные” ионы с учетом взаимодействия между ионами водорода и гидроксид-ионами: H⁺+OH ˉ= H₂O.

9. Расставить коэффициенты в молекулярном уравнении реакции.

10. Провести проверку по частицам, не участвующим в ОВР, исключенным из полной ионно-молекулярной схемы (п.3). При необходимости коэффициенты для них находят подбором.

11. Провести окончательную проверку по кислороду.

Примеры:

1. Кислая среда.

Молекулярная схема реакции:

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + NaNO₃ + H₂O + K₂SO₄

Полная ионно-молекулярная схема реакции:

K⁺+MnO + Na⁺+NO +2H⁺+ SO ® Mn²⁺ + SO + Na⁺ + NO + H₂O + 2K⁺ +SO .

Краткая ионно-молекулярная схема реакции:

_{+7 +3 +5}

MnO +NO +2H⁺ ® Mn²⁺ + NO + H₂O

ок-ль в-ль прод.в-ния прод.ок-ия

В ходе реакции степень окисления Mn понижается от +7 до +2 (марганец восстанавливается), следовательно, MnО – окислитель; Mn²⁺ – продукт восстановления. Степень окисления азота повышается от +3 до +5 (азот окисляется), следовательно, NO – восстановитель, NO – продукт окисления.

Уравнения полуреакций:

2 НОК MnO + 8H⁺ + 5e^- ® Mn²⁺ + 4H₂O – процесс восстановления

10 +7 +(-5) = +2

5 NO + H₂O – 2e^- ® NO + 2H⁺ – процесс окисления

-1 -(-2) = +1

2MnO + 16H⁺ + 5NO + 5H₂O = 2Mn²⁺ +8H₂O + 5NO + 1OH⁺ (полное ионно-молекулярное уравнение).

В суммарном уравнении исключаем число одинаковых частиц, находящихся как в левой, так и в правой частях равенства (приводим подобные). В данном случае это ионы Н⁺ и Н₂О.

Краткое ионно-молекулярное уравнение будет иметь вид

2MnO + 6H⁺ + 5NO ® 2Mn²⁺ + 3H₂O + 5NO .

В молекулярной форме уравнение имеет вид

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

Проверка:

- Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: K⁺ (2 = 2), Na⁺ (5 = 5), SO (3 = 3).

- Баланс по кислороду: 30 = 30.

2. Нейтральная среда.

Молекулярная схема реакции:

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂O ® MnO₂ + NaNO₃ + KOH

Ионно-молекулярная схема реакции:

K⁺ + MnO + Na⁺ + NO + H₂O ® MnO₂ + Na⁺ + NO + K⁺ + OH

Краткая ионно-молекулярная схема:

_{+7 +3 +4 +5}

MnO + NO + H₂O ® MnO₂ + NO + OH^-

ок-ль в-ль продукт в-ния продукт ок-ия

Уравнения полуреакций:

2 НОК MnO + 2H₂O + 3eˉ ® MnO₂ +4OH - процесс восстановления

6 -1 +(-3) = -4

3 NO + H₂O – 2eˉ ® NO + 2H⁺ - процесс окисления

-1 - (-2) = +1

2MnO + 4H₂O + 3NO + 3 H₂O ® 2MnO₂ + 8 OH^- + 3NO + 6H⁺.

Приводим подобные, учитывая:

8 ОН + 6Н⁺ = 6Н₂О + 2ОН .

Краткое ионно-молекулярное уравнение:

2MnO + 3NO + H₂O ® 2MnO₂ + 3 NO + 2OH .

В молекулярной форме уравнение имеет вид

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

Проверка:

- Баланс по кислороду: 15 = 15.

- Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: Na⁺ (3 = 3); K⁺ (2 = 2).

3. Щелочная среда.

Молекулярная схема реакции:

KMnO₄ + NaNO₂ + KOH ® K₂MnO₄ + NaNO₃ + H₂O.

Ионно-молекулярная схема реакции:

K⁺+MnO + Na⁺+NO + K⁺+ OH ® 2K⁺+MnO + Na⁺+NO + H₂O.

Краткая ионно-молекулярная схема реакции:

_{+7 +3 +6 +5}

MnO + NO +OH ® MnO + NO + H₂O

oк-ль в-ль продукт в-ния продукт ок-ия

Уравнения полуреакций:

2 НОК MnO + 1e^- ® MnO – процесс восстановления

1 NO + 2OH - 2e^- ®NO + H₂O – процесс окисления

-3 - (-2) = -1

2 MnO + NO +2OH ® 2MnO + NO + H₂O (краткое ионно-молекулярное уравнение).

В молекулярной форме уравнение имеет вид

2KMnO₄ + NaNO₂ + 2KOH ® 2K₂MnO₄ + NaNO₃ + H₂O

Проверка:

- Баланс по кислороду: 12 = 12.

- Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: К⁺ (4 = 4); Na⁺ (1 = 1).