6.2. Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций применяют два метода: электронного баланса и полуреакций. Основным требованием обоих является то, что число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем.

В методе электронного баланса сначала определяют степень окисления каждого атома и затем составляют схемы, отражающие процесс передачи электронов. После этого подбирают множители по правилу нахождения общего кратного, которые и будут представлять собой коэффициенты при окислителе и восстановителе.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию:

KMnO₄ + HCl  Cl₂ + MnCl₂ + KCl + H₂O

2KMnO₄ + 10HCl  2MnCl₂ + 5Cl₂ + KCl + H₂O

Теперь уравниваем количество атомов, не участвующих в окислительно-восстановительной реакции:

а) ионов металлов, не изменивших степени окисления (калий):

2KMnO₄ + 10HCl  2MnCl₂ + 5Cl₂ + 2KCl + H₂O

б) ионов кислотных остатков (в данной реакции хлорид-ионов):

в) ионов водорода:

2KMnO₄ + 16HCl  5Cl₂ + 2KCl + 2MnCl₂ + 8H₂O

В заключение можно проверить правильность расстановки коэффициентов подсчетом общего количества атомов кислорода слева и справа.

В методе полуреакций коэффициенты окислительно-восстановитель-ных реакций определяют с учетом конкретной формы ионов, участвующих в процессе. Преимуществом метода является отсутствие необходимости пользоваться понятием степени окисления. Кроме того, он позволяет учесть влияние среды реакции на характер процесса.

Полезно запомнить вспомогательные уравнения для уравнивания кислорода “О^2”, входящего в состав сложных ионов или молекул. В кислой среде следует пользоваться уравнением (а), в щелочной (и нейтральной) - уравнением (б):

а) “О^2” + 2Н^ D H₂O; б) “О^2” + Н₂О D 2ОН^

Cреда влияет на изменение степеней окисления атомов, например, продукты восстановления перманганат-иона в разных средах можно представить следующей схемой:

Так, восстановление в кислой среде протекает до иона Mn²⁺:

K₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO_4(разб.)  K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

В полуреакции восстановления окислителя слева записывают ион , а справа - Mn²⁺. Освобождающийся кислород в кислой среде связывается в четыре молекулы H₂O, для образования которых в левую часть полуреакции необходимо добавить восемь катионов водорода. Уравняв количество атомов элементов в левой и правой частях полуреакции, подсчитывают суммарный заряд ионов слева и справа и вычисляют количество электронов, принятых окислителем, исходя из того, что сумма зарядов слева должна быть равна сумме зарядов справа.

Аналогично можно записать полуреакцию окисления восстановителя :

Далее, как и в методе электронного баланса, находят наименьшее кратное и дополнительные множители:

Затем суммируют обе полуреакции и после сокращения одинаковых слагаемых (H₂O и H⁺) получают сокращенное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции, коэффициенты из которого переносят в молекулярное уравнение:

+ 16H⁺ + + 5H₂O  2Mn²⁺ + 8H₂O + + 10H⁺

+ + 6H⁺  2Mn²⁺ + + 3H₂O

В молекулярной форме это взаимодействие описывается уравнением (с учетом одной дополнительной молекулы K₂SO₄ за счет двух ионов К⁺ из KMnO₄):

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + 3H₂SO₄  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 3H₂O

В нейтральной среде перманганат-ион восстанавливается до оксида марганца(IV), причем освобождающийся кислород с молекулами воды образует гидроксид-ионы, которые в свою очередь являются источником кислорода при окислении сульфит-иона в сульфат-ион.

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂O  MnO₂ + KOH + K₂SO₄

При суммировании полуреакций можно записывать только те частицы, которые будут сокращаться:

4H₂O + 6OH^  8OH^ + 3H₂O

Сократив три молекулы воды и шесть гидроксид-ионов, которые есть в обеих частях уравнения, получаем полное ионное уравнение:

+ + H₂O  2MnO₂ + + 2OH^

коэффициенты из которого переносим в молекулярное уравнение:

2KMnO₄ + 3K₂SO₃ + H₂O  2MnO₂ + 2KOH + 3K₂SO₄

В щелочной среде реакция идет с образованием манганат-ионов. При этом необходимо помнить, что источником кислорода в щелочной среде являются гидроксид-ионы: два гидроксид-иона могут отдать один кислород, превращаясь при этом в одну молекулу воды.

2KMnO₄ + K₂SO₃ + 2KOH  2K₂MnO₄ + K₂SO₄ + H₂O

+ + 2OH^  + + H₂O

Метод полуреакций применим лишь для описания и подбора коэффициентов окислительно-восстановительных процессов, протекающих в растворах. Метод же электронного баланса позволяет установить стехиометрические отношения в любых реакциях окисления-восстановления, независимо от среды.