Окислительно-восстановительных реакций

При составлении уравнений ОВР нужно учесть, что число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

В химии условный заряд электрона принят за «-1» и обозначается Для подбора стехиометрических коэффициентов можно использовать несколько методов, из которых наиболее распространены два: метод электронного баланса и метод электронно-ионных уравнений (метод полуреакций).

1.Метод электронного баланса является наиболее универсальным методом, и применим для любых окислительно-восстановительных процессов, протекающих в любых системах (растворы, расплавы, газы). В основе метода лежит принцип сравнения степеней окисления атомов в исходных веществах и в продуктах реакции с последующим составлением схемы электронного баланса.

В качестве примера рассмотрим реакцию взаимодействия дихромата калия с сероводородом в кислой среде:

+ + → + + +

Для расстановки коэффициентов выполняем следующие действия.

1.1. Определяем элементы, атомы которых изменяют степень окисления:

+ + → + + +

1.2. Находим окислитель и восстановитель в данной ОВР, составляем схему перехода электронов от восстановителя к окислителю и пишем отдельно электронные уравнения процессов окисления и восстановления, с учетом того, что количество атомов, входящих в соединение, должно сохраняться. Например, в имеется два атома Cr, следовательно, в схеме они должны присутствовать:

+5ē

-2ē

+ + → + + +

окислитель восстановитель

2Cr⁺⁶ + 6 = 2Cr⁺³ (а) - восстановление

S^-2 - 2 = S⁰ (б) - окисление

1.3. Уравниваем число электронов в процессе окисления и восстановления (электронный баланс). В приведенной схеме необходимо уравнение (б) умножить на 3, тогда будет принято и отдано по 6 электронов. После умножения уравнения складываются как обычные алгебраические, а электроны сокращаются.

2Cr⁺⁶ + 6 = 2Cr⁺³ 1

+

S^-2 - 2 = S⁰ 3

2Cr⁺⁶ +3S^-2 = 2Cr⁺³ + 3 S⁰

1.4. Полученные коэффициенты называют основными. Они переносятся в молекулярную схему реакции и ставятся перед соответствующими веществами. Так как в молекулах дихромата калия и сульфата хрома содержится по два атома хрома, двойки перед этими веществами опускаются.

K₂Cr₂O₇ + 3H₂S + H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3S + K₂SO₄ + H₂O

1.5. Окончательно уравниваем число атомов каждого элемента в обеих частях молекулярного уравнения. Продукты реакции (Cr₂(SO₄)₃, K₂SO₄),

имеющие коэффициенты по единице, содержат 4 моль сульфат-ионов (SO₄^2-), которые содержатся в серной кислоте, следовательно, перед ней ставится коэффициент 4. Чтобы количество атомов водорода было одинаково в левой и правой части уравнения, перед водой ставится коэффициент 7:

K₂Cr₂O₇ + 3H₂S + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3S + K₂SO₄ + 7H₂O

Проверка количества остальных атомов показывает, что все коэффициенты подобраны.

2. Метод электронно-ионных уравнений (метод полуреакций) применяется для подбора коэффициентов в уравнениях реакций, протекающих в растворах. Метод оперирует с реально существующими в растворах частицами и позволяет учитывать влияние среды раствора (т.е. рН) на процессы окисления и восстановления частиц. В качестве частиц среды в водных растворах могут принимать участие следующие частицы.

Таблица 1

Кислотность (рН)	Исходные частицы	Продукты
Кислая среда (рН<7)	Н+ и Н2О	Н2О и ОН-
Нейтральная среда (рН = 7)	Н2О	Н+ и ОН-
Щелочная среда (рН>7)	Н2О и ОН-	Н2О и ОН-

В качестве примера рассмотрим ту же реакцию.

2.1. Молекулярная схема реакции:

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O

2.2. Записываем это уравнение в ионно-молекулярной форме. Для этого необходимо все сильные электролиты представить в виде ионов, а слабые электролиты, газы и малорастворимые вещества оставляем в виде молекул. К сильным электролитам относятся все хорошо растворимые соли, часть кислот (HCl, HNO₃, H₂SO₄ и др.), щелочи (LiOH, NaOH, KOH и др.). Степень окисления атомов не используют, а учитывают заряды реальных ионов и характер среды, в которой идет окислительно-восстановительный процесс.

2K⁺ + Cr₂O₇^-2 + H₂S + 2H⁺ + SO₄^-2 = 2Cr⁺³+3SO₄^-2 + S⁰ + 2K⁺ +SO₄^-2 + H₂O

кислая среда

2.3. Определяем частицы, изменившие свой заряд или состав:

Cr₂O₇^-2 → 2Cr⁺³ и H₂S → S⁰

2.4. На основании этих превращений составляем полуреакции окисления и восстановления с участием частиц среды (см. табл.1). Анион дихромата потерял 7 моль атомов кислорода, которые в кислой среде связываются 14 моль ионами водорода и превращаются в воду. Молекула сероводорода потеряла 2 моль ионов водорода.

Cr₂O₇^-2 + 14Н⁺ → 2Cr⁺³ + 7Н₂О

H₂S → S⁰ + 2Н⁺

2.5. Полученные полуреакции необходимо уравнять по зарядам. В первом уравнении слева суммарный заряд равен (+12), а справа – (+6), значит, дихромат-ион присоединил 6 электронов и восстанавливается. Во втором уравнении слева (0), а справа – (+2). Молекула сероводорода потеряла 2 электрона и окислилась.

Cr₂O₇^-2 + 14Н⁺ +6 → 2Cr⁺³ + 7Н₂О

H₂S - 2 → S⁰ + 2Н⁺

2.6. Для соблюдения электронного баланса второе уравнение необходимо умножить на 3, после чего просуммировать уравнения.

Cr₂O₇^-2 + 14Н⁺ +6 → 2Cr⁺³ + 7Н₂О 1

+

H₂S - 2 → S⁰ + 2Н⁺ 3

Cr₂O₇^-2 + 14Н⁺ + 3H₂S = 2Cr⁺³ + 7Н₂О + 3S⁰ + 6Н⁺

После сокращения подобных частиц в левой и правой частях уравнения получим суммарное ионно-молекулярное уравнение, которое отражает смысл произошедшей реакции.

Cr₂O₇^-2 + 8Н⁺ + 3H₂S = 2Cr⁺³ + 7Н₂О + 3S⁰

Перенос полученных коэффициентов в молекулярную схему реакции позволяет получить ее полное уравнение:

K₂Cr₂O₇ + 3H₂S + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3S + K₂SO₄ + 7H₂O

Иногда в реакции окислитель является одновременно и средой. Например, в реакции:

I₂ + HNO₃® HIO₃ +NO₂ +H₂O

азотная кислота HNO₃ одновременно содержит окислитель ион NO₃^- и создает кислую среду (наличие ионов Н⁺).

Представим молекулярное уравнение в ионно-молекулярном виде:

I₂ + H⁺ + NO₃^-® IO₃^- +NO₂ +H₂O

Далее составим полуреакции окисления и восстановления с участием частиц среды (см.табл.1) и для соблюдения электронного баланса умножим первое уравнение на 10, а затем полуреакции просуммируем :

NO₃^- + 2H⁺ +ē®NO₂ +H₂O 10

I₂ + 6H₂O - 10ē ® 2IO₃^- + 12H⁺

10NO₃^- + 20 H⁺ + I₂ + 6H₂O®10NO₂ +10 H₂O + 2 IO₃^- + 12H⁺

После сокращения подобных частиц в левой и правой частях уравнения получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:

10NO₃^- + 8 H⁺ + I₂ ®10NO₂ +4 H₂O + 2 IO₃^-

Затем полученные коэффициенты перенесем в молекулярную схему реакции. Учитывая, что ионы NO₃^- и H⁺ входят в состав одного и того же соединения, а количество их разное, перед HNO₃ ставится максимальный коэффициент, так как. часть азотной кислоты расходуется на создание кислой среды. Таким образом, полное уравнение:

I₂ + 10HNO₃®2HIO₃ +10NO₂ +4H₂O

Метод полуреакций позволяет определить коэффициенты перед всеми веществами, участвующими в реакции, что значительно упрощает подбор дополнительных коэффициентов.