Метод ионно-электронного баланса

Этот метод основан на составлении ионных уравнений для процессов окисления и восстановления с последующим суммированием их в общее уравнение. Метод полуреакций рекомендуется для реакций, протекающих в водном растворе при участии ионов сильных электролитов. При составлении баланса электронов учитывается реально существующие молекулы, ионы, а так же реакция среды.

На примере реакции, изложенной выше, рассмотрим порядок составления уравнений этим методом:

1. Записывают молекулярное уравнение реакции с указанием степеней окисления элементов, участников ОВР, с определением окислителя и восстановителя: +7 -1 +2 0

KMnO₄ + HCl_конц = MnCl₂ + Cl₂ + KCl + H₂O.

окисл восст

2. Записывают уравнение в ионной форме:

+7 -1 0

K⁺ + MnO₄^- + H⁺ + Cl^- = Mn²⁺ + 2Cl^- + Cl₂ + K⁺ + Cl^- + H₂O.

3. Составляют уравнения полуреакций окисления и восстановления в ионном виде. Слабые электролиты, газы и нерастворимые соединения записывают в виде молекул. Уравнивают суммарные заряды ионов и электронов в правой и левой частях равенств. Подводят баланс электронов:

MnO₄^- + 5 +8H⁺ = Mn²⁺ + 4Н₂О 2

2Cl^- - 2 = Cl₂ 5

4. С учетом полученных множителей суммируют уравнения полуреакций:

2MnO₄^- + 16H⁺ + 102Cl^- = 2Mn²⁺ + 8Н₂О + 5Cl₂.

Если в разных частях полученного уравнения есть повторяющиеся молекулы и ионы, то их нужно сократить.

5. Найденные коэффициенты поставить в молекулярном уравнении:

2KMnO₄ + HCl_конц = 2MnCl₂ + 5Cl₂ + KCl + 8H₂O.

6. Уравнять ионы и молекулы, назадействованные в полуреакциях:

2KMnO₄ + 16HCl_конц = 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 2KCl + 8H₂O.

7. Правильность уравнения проверить по количеству атомов кислорода в разных частях равенства:

Слева – 8 атомов кислорода; справа – 8 атомов кислорода.

Задачи и упражнения

Пример 1. Расставить степени окисления атомов в левых и правых частях уравнений и определить, какие из этих реакций являются окислительно-восстановительными:

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O

Zn+ H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

ZnO+ H₂ = Zn + H₂O.

Решение:

1. Расставим степени окисления в первом уравнении:

+2 -2 +1 +1 +6 -2 +2 +6 -2 +1 -2

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O

Установлено, что у всех химических элементов в этом уравнении степени окисления не изменяются, следовательно, эта просто реакция ионного обмена.

2. Во втором уравнении:

0 +1 +6 -2 +2 +6 -2 0

Zn+ H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

изменение степеней окисления происходит у двух химических элементов: у Zn она повышается с 0 до +2, следовательно, исходное вещество металл цинк является восстановителем; а у атома Н в серной кислоте степень окисления +1 понижается до 0 в простом веществе Н₂, следовательно, исходное вещество серная кислота является окислителем. Данная реакция окислительно-восстановительная.

3. В третьем уравнении:

+2 -2 0 0 +1 -2

ZnO+ H₂ = Zn + H₂O

наблюдается также изменение степеней окисления: повышение этой характеристики происходит у атомов водорода (от 0 в исходном веществе Н₂ до +1 в продукте реакции Н₂О); понижение степени окисления имеет место у атомов цинка (от +2 в ZnO до 0 в металлическом Zn). Следовательно, данная реакция является окислительно-восстановительной, где роль окислителя выполняет оксид цинка (а именно атом Zn⁺²), восстановитель – молекулярный водород.

Пример 2. Методом электронного баланса подобрать коэффициенты в уравнении:

C + HNO₃ → CO₂ + NO + H₂O.

Решение:

1. Найдем степени окисления элементов, определим окислитель и восстановитель: 0 +5 +4 +2

C + HNO₃ → CO₂ + NO + H₂O

восс окисл

у атомов углерода степень окисления повышается, следовательно, это вещество является восстановителем, а азотная кислота – окислитель, т.к. у атома азота степень окисления понижается.

2. Составим электронные уравнения и подведем баланс электронов:

0 +4

C – 4 = C 3

+5 +2

N + 3 = N 4

3. Полученные множители расставляем в виде коэффициентов перед формулами веществ, содержащих атомы, указанные в электронных уравнениях:

3C + 4HNO₃ → 3CO₂ + 4NO + H₂O.

4. Уравниваем атомы водорода в левой и правой частях уравнения. Окончательное уравнение будет иметь вид:

3C + 4HNO₃ → 3CO₂ + 4NO + 2H₂O.

Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом атомов кислорода: в левой части их 4 · 3 = 12 и в правой 3 · 2 + 4 + 2 =12.

Пример 3. Методом ионно-электронного баланса подобрать коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции:

NaJ + NaJO₃ + H₂SO₄ = J₂ + Na₂SO₄ + H₂O.

Решение:

1. Найдем степени окисления элементов, определим окислитель и восстановитель: -1 +5 0

NaJ + NaJO₃ + H₂SO₄ = J₂ + Na₂SO₄ + H₂O.

восс окис

Один и тот же химический элемент йод в одном исходном веществе имеет минимальную степень окисления (-1), следовательно, йодид натрия является восстановителем, а йодат натрия, где у йода с.о. = +5, является окислителем.

2. Запишем уравнение в ионном виде:

+5 0

Na⁺ + J^- + Na⁺+ JO₃^- + 2H⁺ + SO₄^2- = J₂ + 2Na⁺ + SO₄^2- + H₂O.

3. Составим уравнения полуреакций и подведем баланс электронов:

J^- - 1 = J 5

JO₃^- - 5 + 6H⁺ = J + 3H₂O 1

4. Почленно с учетом множителей, полученных для каждого из уравнений полуреакции, сложим эти два уравнения:

J^- - 1 = J 5

JO₃^- - 5 + 6H⁺ = J + 3H₂O 1

5 J^- + JO₃^- + 6H⁺ = 3 J₂ + 3H₂O

5. Полученные коэффициенты расставляем в молекулярном уравнении, уравняв атомы Na в левой и правой частях уравнения:

5NaJ + NaJO₃ + 3H₂SO₄ = 3J₂ + 3Na₂SO₄ + 3H₂O.

Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом атомов кислорода: в левой части их 3 + 4 · 3 = 15 и в правой 3 · 2 + 3 =15.

Пример 4. Какая масса перманганата калия потребуется для окисления сульфита калия массой 8 г, находящегося в нейтральном растворе.

Решение:

1. Составим уравнение реакции, учитывая, что продукты реакции зависят от реакции среды (см. п.9.6.), найдем степени окисления и определим окислитель и восстановитель:

+7 +4 +4 +6

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂O = MnO₂ + K₂SO₄ + КOH.

окис восс

2. Решим это уравнение методом ионно-электронного баланса, как это было сделано выше:

+7 +4 +4 +6

K⁺ + MnO₄^- + 2K⁺ + SO₃^2- + H₂O = MnO₂ + 2K⁺ +SO₄^2- + К⁺ + OH^-

MnO₄^- + 3 + 2H₂O = MnO₂ + 4ОН^- 2

SO₃^2- - 2 + 2OH^- = SO₄^2- + H₂O 3

2MnO₄^-+ 4H₂O + 3SO₃^2- + 6ОН ^- = 2MnO₂ + 8OH^- + 3SO₄^2- + 3Н₂О.

Сократив на 6ОН^- и 3Н₂О, получим:

2MnO₄^-+ H₂O + 3SO₃^{2- -} = 2MnO₂ +2OH^- + 3SO₄^2-.

3. Полученные коэффициенты расставляем в молекулярном уравнении, уравняем атомы К в левой и правой частях уравнения:

2KMnO₄ + 3K₂SO₃ + H₂O = 2MnO₂ + 3K₂SO₄ + 2КOH.

4. Расчет массы KMnO₄ проводим согласно закону эквивалентов (глава 1) по формуле 1.6.:

Предварительно по формуле 1.5. рассчитаем Э(KMnO₄) и Э(K₂SO₃):

Ответ: m(KMnO₄) = 2,9057 г.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличаются окислительно-восстановительные реакции от других химических реакций?

2. Что такое окислитель, и как изменяется его степень окисления в результате реакции?

3. Что такое процесс окисления?

4. Какая реакция называется реакцией диспропорционирования?

5. Назовите простые вещества восстановители.

6. Какими окислительно-восстановительными свойствами обладают вещества, содержащие атомы с максимальной степенью окисления?

Раздел 2. РЕШЕНИЕ РАСЧЁТНЫХ ЗАДАЧ *

Важнейшие понятия

Расчеты на приготовление растворов:

- процентной концентрации;

- молярной и нормальной;

- титр раствора.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: