Расчет коэффициентов уравнений окислительно-восстановительных реакций с помощью ионно-электронных схем

Используя схемы электронного баланса можно поставить коэффициенты в уравнение окислительно-восстановительной реакции к окислителю, восстановителю, восстановленной и окисленной формам.

Ионно-электронные схемы дают возможность поставить коэффициенты и к ионам Н⁺ и ОН^- , и к молекулам Н₂О. Ионно-электронные схемы удобно применять для реакций с участием веществ, в которых трудно определить степени окисления элементов, например KCNS или CH₃CH₂OH.

При составлении уравнений полуреакций малорастворимые соли, слабые электролиты и газообразные вещества следует писать в молекулярном виде. Ионно-электронные схемы составляются различно, в зависимости от реакции среды.

Реакции в среде сильных кислот. Если окислительно-восстановительная реакция происходит в среде, содержащей сильную кислоту, то в ионно-электронных полуреакциях рационально применять в случае необходимости только ионы водорода и молекулы воды.

При этом если нужно отнять у соединения атом кислорода, то его связывают в молекулу Н₂О:

ЭО_n + 2H⁺ → ЭO_n-1 + Н₂О,

а если нужно добавить атом кислорода, то добавляют молекулу Н₂О, при этом освобождаются два иона Н⁺ :

ЭО_n + H₂О → ЭO_n+1 + 2Н⁺

Пример 1.При окислении сульфита натрия азотной кислотой получается сульфат натрия и оксид азота (II):

Na₂SO₃ + HNO₃ → Na₂SO₄ + NO

При этом сульфит-ион переходит в сульфат-ион:

SO₃^2- + H₂О – 2e = SO₄^2- + 2H⁺

В уравнениях полурекций правый верхний индекс указывает заряд иона. Заряд обычно отмечают числом или знаком после него.

Так как общий заряд левой части полуреакции равен 2-, а правой – нулю, то такой переход описывается потерей двух электронов.

Нитрат-ион переходит в NO:

NO₃^- + 4H⁺ + 3e = NO + 2H₂O

Объединим обе полуреакции:

SO₃^2- + H₂О – 2e = SO₄^2- + 2H⁺ 3

NO₃ + 4H⁺ + 3e = NO + 2H₂O 2

3SO₃^2- + 3H₂О + 2NO₃^- + 8H⁺ = 3SO₄^2- + 6H⁺ + 2NO + 4H₂O

Приведем подобные

3SO₃^2- + 2NO₃^- + 2H⁺ = 3SO₄^2- + 2NO + H₂O

Таким образом, общее уравнение реакции имеет вид:

3Na₂SO₃ + 2HNO₃ → 3Na₂SO₄ + 2NO + H₂O

Пример 2. При окислении пероксида водорода дихроматом калия в сернокислой среде образуются сульфат хрома(III) и кислород:

K₂Cr₂O₇ + H₂O₂ + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + O₂ + …

Ионно-электронная схема имеет вид:

Cr₂O₇^2- + 14Н⁺ + 6е = 2Cr³⁺ + 7H₂O 1, окислитель

H₂O₂ – 2e = O₂ + 2Н⁺ 3, восстановитель

Cr₂O₇^2- + 3H₂O₂ + 14Н⁺ = 2Cr³⁺ + 3O₂ + 6Н⁺ + 7H₂O

Cr₂O₇^2- + 3H₂O₂ + 8Н⁺ = 2Cr³⁺ + 3O₂ + 7H₂O

Окончательное уравнение реакции:

K₂Cr₂O₇ + 3H₂O₂ + 4H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + 3O₂ + 7H₂O + K₂SO₄

В ионно-электронных схемах не отражаются ионы К⁺ и SO₄^2-, которые дописываются в правую часть в виде K₂SO₄ .

Реакции в среде сильных оснований.Если окислительно-восстановительная реакция происходит в среде, содержащей сильное основание, то в ионно-электронных полуреакциях рационально применять в случае необходимости только гидроксид-ионы и молекулы воды.

При этом если нужно отнять у соединения атом кислорода, то добавляют молекулу воды, и освобождаются два гидроксид-иона:

ЭО_n + Н₂О → ЭО_n+1 + 2(ОН^-),

а если нужно добавить атом кислорода, то добавляют два гидроксид-иона, и получается молекула воды:

ЭО_n + 2(ОН^-) → ЭО_n+1 + Н₂О

Пример 3. При окислении серы в среде гидроксида натрия гипохлоритом натрия получают сульфат и хлорид натрия:

S + NaClO + NaOH → Na₂SO₄ + NaCl

Ионно-электронная схема имеет вид:

S + 8(OH^-) – 6e = SO₄^2- + 4Н₂О 1, восстановитель

ClO^- + Н₂О + 2e = Cl^- + 2(OH^-) 3, окислитель

S + 8(OH^-) + 3ClO^- + 3Н₂О = SO₄^2- + 4Н₂О + 3Cl^- + 6(OH^-)

S + 2(OH^-) + 3ClO^- = SO₄^2- + Н₂О + 3Cl^-

Окончательное уравнение реакции:

S + 3NaClO + 2NaOH → Na₂SO₄ + 3NaCl + Н₂О

Пример 4.При окислении сульфата железа(II) пероксидом водорода в среде гидроксида калия получают тригидроксид железа и сульфат калия:

FeSO₄ + Н₂О₂ + KOH → Fe(OH)₃ + K₂SO₄

Fe²⁺ + 3(OH^-) – e = Fe(OH)₃ 2, восстановитель

Н₂О₂ + 2e = 2OH^- 1, окислитель

2Fe²⁺ + 6(OH^-) + Н₂О₂ = 2Fe(OH)₃ + 2OH^-

2Fe²⁺ + 4(OH^-) + Н₂О₂ = 2Fe(OH)₃

Окончательное уравнение реакции имеет вид:

2FeSO₄ + Н₂О₂ + 4KOH → 2Fe(OH)₃ + 2K₂SO₄

Реакции в среде, не содержащей ни сильных кислот, ни сильных оснований.Если окислительно-восстановительная реакция происходит в среде, не содержащей ни сильной кислоты, ни сильного основания, то в ионно-электронных схемах в левую часть полуреакций рекомендуется в случае необходимости добавлять только воду.

При этом если нужно отнять кислород, то добавляют молекулу воды и получают два гидроксид-иона:

ЭО_n + Н₂О → ЭО_n-1 + 2(ОН^-),

а если нужно добавить атом кислорода, то добавляют молекулу воды, а получают два иона Н⁺:

ЭО_n + Н₂О → ЭО_n+1 + 2Н⁺

В правой части суммарного ионно-молекулярного уравнения не следует оставлять такие ионы, которые могут образовать соединения друг с другом, например Н⁺ и ОН^-.

Пример 5.При окислении сульфита натрия перманганатом калия получается сульфат натрия и оксид марганца(IV):

Na₂SO₃ + KMnO₄ → Na₂SO₄ + MnO₂ + …

Ионно-электронная схема имеет вид:

SO₃^2- + H₂О – 2e = SO₄^2- + 2H⁺ 3, восстановитель

MnO₄^- + 2H₂О + 3e = MnO₂ + 4(OH^-) 2, окислитель

3SO₃^2- + 3H₂О + 2MnO₄^- + 4H₂О = 3SO₄^2- + 6H⁺ + 2MnO₂ + 8(OH^-)

3SO₃^2- + 2MnO₄^- + 7H₂О = 3SO₄^2- + 2MnO₂ + 2(OH^-) + 6H₂О

3SO₃^2- + 2MnO₄^- + H₂О = 3SO₄^2- + 2MnO₂ + 2(OH^-)

Окончательное уравнение реакции:

3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂О → 3Na₂SO₄ + 2MnO₂ + 2КОН

Пример 6.При окислении сероводорода в избытке перманганата калия получают сульфат калия и оксид марганца(IV):

H₂S + KMnO₄ → K₂SO₄ + MnO₂ + …

Ионно-электронная схема имеет вид:

H₂S + 4H₂О – 8e = SO₄^2- + 10H⁺ 3, восстановитель

MnO₄^- + 2H₂О + 3e = MnO₂ + 4(OH^-) 8, окислитель

3H₂S + 28H₂О + 8MnO₄^- = 3SO₄^2- + 30H⁺ + 8MnO₂ + 32(OH^-)

3H₂S + 8MnO₄^- = 3SO₄^2- + 8MnO₂ + 2(OH^-) + 2H₂O

Окончательное уравнение реакции:

3H₂S + 8KMnO₄ → 3K₂SO₄ + 8MnO₂ + 2КОН + 2H₂O

Пример 7.Пероксид водорода окисляет роданид калия до циановодородной кислоты и сульфата калия:

KCNS + Н₂О₂ → HCN + K₂SO₄

Ионно-электронная схема имеет вид:

CNS^- + 4H₂O – 6е = SO₄^2- + HCN + 7H⁺ 1, восстановитель

Н₂О₂ + 2e = 2OH^- 3, окислитель

CNS^- + 4H₂O + 3Н₂О₂ = SO₄^2- + HCN + 7H⁺ + 6OH^-

CNS^- + 3Н₂О₂ = SO₄^2- + HCN + H⁺ + 2H₂O

Окончательное уравнение реакции:

KCNS + 3Н₂О₂ → HCN + KНSO₄ + 2Н₂О

KНSO₄ приходится написать потому, что на один ион SO₄^2- в растворе есть один ион H⁺ и один катион К⁺.