Метод электронно-ионного баланса

 

Остановимся подробнее на методе электронно-ионного баланса.

Чтобы составить такое уравнение окислительно-восстановительной реакции необходимо следующее:

1. Записать схему реакции, определить ионы (молекулы), участвующие в процессе окисления-восстановления. Для них найти заряды ионов, а не степени окисления соответствующих атомов (продукты реакции определяют опытным путем или на основании справочных данных).

2. Составить ионные уравнения для каждой полуреакции. При этом сильные электролиты следует записывать в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы – в виде молекул, а также следует учитывать количество атомов кислорода в исходных веществах и продуктах реакции:

а) если исходный ион (молекула) содержит больше атомов кислорода, чем продукт реакции, то избыток атомов кислорода в кислой среде связывается ионами водорода с образованием молекул воды; в нейтральной и щелочной средах кислород реагирует с молекулами воды с образованием гидроксид-ионов;

б) если исходный ион (молекула) содержит меньшее число атомов кислорода, чем образующееся соединение, то недостаток их атомов компенсируется в кислых и нейтральных растворах за счет молекул воды, а в щелочных растворах – за счет гидроксид-ионов.

3. На основании закона сохранения массы и закона электронейтральности

(суммарное число зарядов продуктов реакции должно быть равно суммарному

числу зарядов исходных веществ) при составлении уравнений следует

соблюдать баланс веществ и баланс зарядов.

Для примера рассмотрим туже реакцию, которая протекает при взаимодействии нитрата калия и перманганата калия в кислой среде

 

 

KNO₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ → KNO₃ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

 

или в ионной форме:

K⁺ + NO₂^- + K⁺ + MnO₄^- + 2H⁺ + SO₄^2- → K⁺ + NO₃^- + Mn²⁺ + SO₄^2- + 2K⁺ + SO₄^2- + H₂O

Из схемы реакции видно, что в окислении-восстановлении участвуют ионы (молекулы):

NO₂^- + MnO₄^- + 2H⁺ → NO₃^- + Mn²⁺ + H₂O

1. Составим электронно-ионные уравнения для каждой полуреакции

а) NO₂^- → NO₃^-

недостающий в левой части кислород компенсируем за счет молекул воды, при этом для сохранения баланса веществ необходимо поставить одну молекулу воды, а в правую часть – 2Н⁺

 

NO₂^- + H₂O → NO₃^- + 2H⁺,

 

При соблюдении равенства зарядов правой и левой частей уравнения схема принимает следующий вид:

 

(NO₂^- + H₂O)^- - 2е^- = (NO₃^- + 2H⁺)⁺

 

б) Ионы MnO₄^- в кислой среде восстанавливаются до ионов Mn²⁺ (малиновая окраска изменяется до безцветной):

 

MnO₄^- → Mn²⁺,

избыточный в левой части уравнения кислород следует связать ионами водорода, так как реакция протекает в кислой среде, причем для сохранения баланса веществ необходимо прибавить 8Н⁺, а в правую часть – 4Н₂О

 

MnO₄^- +8Н⁺ → Mn²⁺ + 4Н₂О;

 

Учитывая необходимость баланса зарядов, предыдущая схема должна быть дополнена

 

(MnO₄^- +8Н⁺)⁺⁷ +5е^- = (Mn²⁺ + 4Н₂О)⁺²

 

2. Для составления полного ионного уравнения процессов окисления-восстановления этой реакции необходимо суммировать полученные полуреакции. Так как число электронов, отданное восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем, умножаем уравнение реакции восстановления на 2, а окисления на 5, затем складываем

5 NO₂^- + H₂O - 2е^- = NO₃^- + 2H⁺ - процесс окисления

2 MnO₄^- +8Н⁺ +5е^- = Mn²⁺ + 4Н₂О - процесс восстановления

____________________________________________________________

5NO₂^- + 5H₂O + 2MnO₄^- + 16H⁺ = 5NO₃^- + 10H⁺ + 2Mn²⁺ + 8H₂O

 

3. Производим возможные упрощения (приведение подобных членов)

 

5NO₂^- + 2MnO₄^- + 6H⁺= 5NO₃^- + 2Mn²⁺ + 3H₂O

 

4. На основании коэффициентов суммарного ионного уравнения расставляем коэффициенты в молекулярном уравнении реакции, учитывая при этом ионы, не изменившиеся до и после реакции (K⁺ и SO₄^2-)

 

5KNO₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5KNO₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ +3H₂O

Таким образом, используя электронно-ионное уравнение, мы получаем сразу все коэффициенты.

Электронно-ионный метод более реально отражает процессы, происходящие в ходе реакции. В растворе нет ионов N⁺³, Mn⁺⁷, N⁺⁵ («гипотетические» ионы), но есть ионы NO₂^-, MnO₄^- и NO₃^- (реальные ионы).