Метод электронного баланса

Здесь подсчет числа электронов производится на основании значений степеней окисления элементов до и после реакции. Число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов принятых окислителем. Приведем простейший пример:

Na^о + Cl ® Na⁺ Cl

       Na^о – eˉ ® Na⁺ - окисление                     │ 2

       Cl₂ + 2eˉ ® 2 Cl  - восстановление        │ 1

___________________________________________

               2 Na + Cl₂ = 2NaCl

 

Данный метод используют в том случае, если реакция протекает не в растворе (в газовой фазе, реакции термического разложения и т.д.).

 

11.4.2. Метод ионно-электронного баланса
(метод полуреакций)

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

Алгоритм подбора коэффициентов ионно-электронным методом:

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

При этом следует помнить, что в водных растворах в реакциях могут участвовать молекулы Н₂О, ионы Н⁺ или ОН ^– в зависимости от характера среды:

5.1. Кислая среда
(в левой или правой части уравнения есть  кислота)

Правило 1. В кислой среде в ту сторону уравнения полуреакции, где не хватает атомов кислорода ставиться столько же молекул воды, в другую сторону уравнения ставиться удвоенное число ионов Н⁺:     Н₂О = О^-2+2Н⁺

Пример. МnO ® Mn²⁺

В левой части 4 атома «О», в правой части нет атомов «О». Разница в 4 атома «О», следовательно, в правую часть уравнения полуреакции ставим столько же (4) молекул воды:

MnO ® Mn²⁺ + 4H₂O

В другую часть уравнения ставим удвоенное против числа молекул воды количество протонов Н⁺:

MnO +8H⁺ ® Mn²⁺ + 4H₂O

Считаем заряды у левой и правой частей. Слева: -1 + 8·(+1) = +7. Справа +2 + 4·0 = +2 (H₂O –нейтральная молекула, заряд 0). Чтобы перейти из +7 в +2 надо добавть 5е (каждый е это -1).

MnO  + 8H ⁺ + 5e^- ® Mn²⁺ + 4H₂O -

    +^{7               +(-5) =    +2}

Это процесс восстановления, MnO окислитель.

Правило 2. Если в правой части образуется кислота, то ее пишут в виде молекулы.

5.2. Щелочная среда
(в левой или правой части уравнения есть основание)

Правило 1. В щелочной среде в ту сторону уравнения полуреакции, где не избыток атомов кислорода ставиться столько же молекул воды, в другую сторону уравнения ставиться удвоенное числи ионов ОН^-:   О^-2+Н₂О = 2ОН ˉ

Пример. MnO  ® MnO₂

Слева 4 атома «О», справа 2 атома «О». Разница в 2 атома «О».
2 молекулы воды ставим в ту сторону уравнения, где атомов «О» больше, т.е. в левую сторону:

MnO  + 2H₂O ® MnO₂

В правую часть уравнения ставим удвоенное против числа молекул воду число групп ОН^-, т.е. 4:

MnO  + 2 H₂O ® MnO₂  + 4OH^-

Считаем заряды у левой части: -1+2·0 = -1. Считаем заряды у правой части: 0 +4·(-1) = -4 (MnO₂ – нейтральная молекула, заряд 0). Чтобы из -1 перейти в -4 надо добавить 3е:

MnO  + 2H₂O + 3eˉ ® MnO₂ +4OH

   ^{-1       +(-3) =                             -4}

Это процесс восстановления МnO – окислитель.

Правило 2. Если в щелочной среде атомы «О» уравнены, а атомы «Н» нет, то на каждый лишний атом «Н» добавляется в эту же часть уравнения столько же групп ОН^-, а в другую часть уравнения ставиться столько же молекул воды.

Пример. NO  ®  NН

Сначала уравниваем по 1 правилу для щелочной среды. В левой части 3 атома «О», в правой нет атомов «О». В левую часть, где избыток атомов «О», ставим 3 молекулы воды:

NO  + 3 H₂O ® NН

В другую часть уравнения ставим в 2 раза больше, т.е 6 ОН^- -ионов:

NO  + 3H₂O ® NН + 6OH^-

Теперь атомы «О» уравнены, а атомы «Н» нет (справа 6 «Н», слева 9 «Н»). Теперь уравниваем по 2 правилу. На каждый лишний атом «Н» в правой части ставим столько же групп ОН-,    т.е. 3:

NO  + 3H₂O ® NН + 6OH^-+ 3OH^-

В другую часть уравнения ставим столько же (3) молекулы воды: NO  + 3H₂O+ 3H₂O ® NН + 6OH^-+ 3OH^-

или NO  + 6H₂O ® NН + 9OH^-

Считаем заряды в левой и правой частях уравнения. Слева:

 -1+6·0 = -1.

Справа 0+9·(-1) = -9. Чтобы перейти из -1 в -9 надо добавить 8е.

NO  + 6H₂O + 8eˉ ® NН + 9OH

   ^{-1       +(-8) =     -9}

Это процесс восстановления, NO   окислитель.

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 и молекулы 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.

 

Пример 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:

Mn⁺⁷O _ок-ль+N⁺³O _вос-ль+2H⁺ ® Mn²⁺_{продукт в-ния}+N⁺⁵O  _{продукт в-ния} + H₂O                                                

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:

  MnO  + 8H ⁺ + 5e^- ® Mn²⁺ + 4H₂O │2 вос-ние     

             +7     +(-5) =    +2

        NO  + H₂O – 2e^- ® NO  + 2H ⁺ │5        ок-ние  

                   -1 - (-2)            =     +1

______________________________________________  

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

В суммарном уравнении исключаем число одинако-
вых 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.

Проверим баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: K⁺ (2 = 2), Na⁺ (5 = 5), SO  (3 = 3). Баланс по кислороду: 30 = 30.

Пример 2. Нейтральная среда, но в правой части образуется щелочь, уравниваем по щелочной среде

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:

Mn⁺⁷O _ок-ль+N⁺³O _вос-ль+H₂O ® Mn⁺⁴O_{2 продукт в-ния}+ N⁺⁵O  _{продукт ок-ния} + OH^-

 

Уравнения полуреакций:

MnO  + 2H₂O + 3eˉ ® MnO₂ +4OH │2 в-ние          

6  -1   +(-3) =                 -4

NO  + 2ОH^- – 2eˉ   ® NO  + H₂O   │3 ок-ние

-3   - (-2) =              -1

_________________________________________

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

Приводим подобные, в данном случае это Н₂О и ОН .

Краткое ионно-молекулярное уравнение:

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

В молекулярной форме уравнение имеет вид

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

Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: Na⁺
(3 = 3); K⁺ (2 = 2). Баланс по кислороду: 15 = 15.

 

Пример 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:

MnO  + 1e^- ® MnO                  │2 вос-ние     

NO  + 2OH  - 2e^- ®  NO  + H₂O │1 ок-ние    

           -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

Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: К⁺ (4 = 4); Na⁺ (1 = 1). Баланс по кислороду: 12 = 12.