Метод электронного баланса в доступном изложении. Типы окислительно-восстановительных реакций

14.05.2019Рубрика: Автобизнес

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций можно использовать два метода: метод электронного баланса и метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций).

Метод электронного баланса . Данный метод подсчета отданных и принятых электронов проводят в соответствии со значениями степеней окисления атомов до и после реакции . При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций нужно пользоваться следующими правилами:

1. Составить схему реакции с указанием исходных веществ и продуктов реакции; найти атомы элементов, которые изменяют степени окисления; определить, кто из них является окислителем, а кто - восстановителем.
2. Составить схемы процессов окисления и восстановления в виде электронных уравнений.
3. Уравнять число отданных и принятых электронов и составить уравнение электронного баланса с учетом найденных дополнительных множителей.
4. Перенести выявленные коэффициенты в схему уравнения.
5. Для соединений, не участвующих в переходе электронов, нахождение коэффициентов провести, сопоставляя число атомов в левой и правой частях уравнения.
6. Проверить правильность расстановки коэффициентов, подсчитав число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения.

Пример 1. Окисление алюминия кислородом протекает по схеме:

Al + O 2 > Al 2 O 3

Степени окисления изменяют атомы алюминия и кислорода:

Al о + O 2 о > Al 2 3+ O 3 2 -

Алюминий повышает степень окисления, следовательно, проявляет восстановительные свойства. Кислород понижает степень окисления, значит, выступает в роли окислителя. Составляем электронные уравнения процесса окисления алюминия и процесса восстановления кислорода:

Al о - 3e- = Al 3+ (процесс окисления)

O 2 о + 4e- = 2O 2 - (восстановление).

Электронный обмен является эквивалентным, поэтому определяем наименьшее общее кратное число перемещаемых электронов; в данном случае оно равно 12. Находим дополнительные множители для отданных и принятых электронов, поделив 12 на 3 и на 4, соответственно.

Al о - 3e- = Al 3+ ¦4

O 2 о + 4e- = 2O 2 - ¦ 3

Найденные множители являются коэффициентами перед формулами восстановителя и окислителя в левой части уравнения:

4Al + 3O 2 > 4 Al 3+ + 6O 2 -

Эти же коэффициенты должны отражать число соответствующих атомов в продуктах окисления и восстановления в правой части уравнения. В нашем случае: число атомов алюминия со степенью окисления (+3) равно 4 (т.к.2Ч2= 4). Число атомов кислорода в правой части уравнения равно 6 (т.к. 2Ч3 = 6).

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .

Пример 2. При сливании растворов иодида калия и хлорида железа (III) реакция протекает по следующей схеме:

KI + FeCl 3 > I 2 + FeCl 2 + KCl

Определяем степени окисления атомов, которые изменяются при прохождении реакции, подчеркнем эти атомы; затем находим восстановитель и окислитель:

KI Ї + Fe 3+ Cl 3 > I 2 о + Fe 2+ Cl 2 + KCl

У подчеркнутых элементов изменились степени окисления: иодид-ион является восстановителем, катион железа (III) - окислителем. Составляем электронные уравнения процесса окисления и процесса восстановления:

2I Ї - 2e- = I 2 о (процесс окисления)

Fe 3+ + e- = Fe 2+ (восстановление).

Находим наименьшее общее кратное число перемещаемых электронов и дополнительные множители для процессов окисления и восстановления.

2I Ї - 2e- = I 2 о ¦1

Fe 3+ + e- = Fe 2+ ¦2

Складывая почленно, с учетом найденных множителей, получим:

2I Ї + 2Fe 3+ = I 2 о + 2Fe 2+

Переносим найденные коэффициенты в схему уравнения:

2KI + 2FeCl 3 > I 2 + 2FeCl 2 + KCl.

Осталось уравнять число атомов калия в левой и правой части уравнения:

2KI + 2FeCl 3 > I 2 + 2FeCl 2 + 2KCl.

Чаще всего окислительно-восстановительные реакции имеют более сложный характер, и расстановка коэффициентов в таких уравнениях представляют сложную задачу. Естественно, если окислительно-восстановительная реакция протекает в неводной среде или в водном растворе, но без участия молекул воды и ее составляющих, то расставлять коэффициенты в таких уравнениях нужно методом электронного баланса.

Чтобы правильно составить уравнение окислительно-восстановительной реакции нужно знать свойства взаимодействующих веществ и на этой основе предугадать продукты, которые могут образоваться в тех или иных условиях. Очень часто в процессах, протекающих в водных растворах, бывают задействованы молекулы воды, ионы водорода или гидроксильные ионы. В этом случае нужно пользоваться методом электронно-ионного баланса (методом полуреакций).

Метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций). В данном методе коэффициенты подбираются с помощью электронно-ионных уравнений , которые отличаются от электронных уравнений тем, что в них записываются реально существующие в водных растворах или расплавах ионы . Порядок действий практически такой же, как и в методе электронного баланса.

1. Составить схему реакции с указанием исходных веществ и продуктов реакции; затем найти атомы элементов, которые изменяют степени окисления; определить, кто из них является окислителем, а кто - восстановителем.
2. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления с указанием исходных веществ и продуктов, которые реально существуют в условиях протекания реакции.
3. Уравнять число атомов каждого элемента в обеих частях каждой полуреакции с учетом того, что в процессах окисления и восстановления могут участвовать молекулы воды, ионы водорода или гидроксильные ионы.
4. Уравнять суммарное число зарядов в левой и правой части каждой полуреакции; для чего прибавить (или отнять) соответствующее число электронов к левым частям полуреакций окисления и восстановления.
5. Подобрать дополнительные множители (основные коэффициенты) для полуреакций таким образом, чтобы число электронов, отданных при окислении, было равно числу электронов, принятых при восстановлении.
6. Сложить уравнения полуреакций с учетом найденных основных коэффициентов.
7. Расставить остальные коэффициенты в уравнении реакции. Проверить правильность расстановки коэффициентов: число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым.

Важно помнить, что в водных растворах связывание избыточного кислорода из исходных веществ и продуктов происходит по-разному в кислой, нейтральной или щелочной средах.

Так, в кислой среде каждый избыточный атом кислорода из окислителя связывается с двумя ионами водорода в молекулу воды :

О 2- + 2Н + = Н 2 О.

В нейтральной и щелочной среде избыточный кислород связывается молекулами воды с образованием гидроксид-ионов .

Спецификой многих ОВР является то, что при составлении их уравнений подбор коэффициентов вызывает затруднение. Для облегчения подбора коэффициентов чаще всего используют метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций). Рассмотрим применение каждого из этих методов на примерах.

Метод электронного баланса

В его основе лежит следующее правило : общее число электронов, отдаваемое атомами-восстановителями, должно совпадать с общим числом электронов, которые принимают атомы-окислители .

В качестве примера составления ОВР рассмотрим процесс взаимодействия сульфита натрия с перманганатом калия в кислой среде.

Сначала необходимо составить схему реакции: записать вещества в начале и конце реакции, учитывая, что в кислой среде MnO 4 — восстанавливается до Mn 2+ ():

Далее определим какие из соединений являются ; найдем их степень окисления в начале и конце реакции:

Na 2 S +4 O 3 + KMn +7 O 4 + H 2 SO 4 = Na 2 S +6 O 4 + Mn +2 SO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Из приведенной схемы понятно, что в процессе реакции происходит увеличение степени окисления серы с +4 до +6, таким образом, S +4 отдает 2 электрона и является восстановителем . Степень окисления марганца уменьшилась от +7 до +2, т.е. Mn +7 принимает 5 электронов и является окислителем .

Составим электронные уравнения и найдем коэффициенты при окислителе и восстановителе .

S +4 – 2e — = S +6 ¦ 5

Mn +7 +5e — = Mn +2 ¦ 2

Чтобы число электронов, отданных восстановителем, было равно числу электронов, принятых восстановителем, необходимо:

Число электронов, отданных восстановителем, поставить коэффициентом перед окислителем.
Число электронов, принятых окислителем, поставить коэффициентом перед восстановителем.

Таким образом, 5 электронов, принимаемых окислителем Mn +7 , ставим коэффициентом перед восстановителем, а 2 электрона, отдаваемых восстановителем S +4 коэффициентом перед окислителем:

5Na 2 S +4 O 3 + 2KMn +7 O 4 + H 2 SO 4 = 5Na 2 S +6 O 4 + 2Mn +2 SO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Далее надо уравнять количества атомов элементов, не изменяющих степень окисления, в такой последовательности: число атомов металлов, кислотных остатков, количество молекул среды (кислоты или щелочи). В последнюю очередь подсчитывают количество молекул образовавшейся воды.

Итак, в нашем случае число атомов металлов в правой и левой частях совпадают.

По числу кислотных остатков в правой части уравнения найдем коэффициент для кислоты.

В результате реакции образуется 8 кислотных остатков SO 4 2- , из которых 5 – за счет превращения 5SO 3 2- → 5SO 4 2- , а 3 – за счет молекул серной кислоты 8SO 4 2- — 5SO 4 2- = 3SO 4 2- .

Таким образом, серной кислоты надо взять 3 молекулы:

5Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5Na 2 SO 4 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Аналогично, находим коэффициент для воды по числу ионов водорода, во взятом количестве кислоты

6H + + 3O -2 = 3H 2 O

Окончательный вид уравнения следующий:

Признаком того, что коэффициенты расставлены правильно является равное количество атомов каждого из элементов в обеих частях уравнения.

Ионно-электронный метод (метод полуреакций)

Реакции окисления-восстановления, также как и реакции обмена, в растворах электролитов происходят с участием ионов. Именно поэтому ионно-молекулярные уравнения ОВР более наглядно отражают сущность реакций окисления-восстановления. При написании ионно-молекулярных уравнений, сильные электролиты записывают в виде , а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде). В ионной схеме указывают частицы, подвергающиеся изменению их степеней окисления , а также характеризующие среду, частицы: H + — кислая среда , OH — — щелочная среда и H 2 O – нейтральная среда.

Рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в кислой среде.

Сначала необходимо составить схему реакции : записать вещества в начале и конце реакции:

Na 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Запишем уравнение в ионном виде , сократив те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:

SO 3 2- + MnO 4 — + 2H + = Mn 2+ + SO 4 2- + H 2 O

Далее определим окислитель и восстановитель и составим полуреакции процессов восстановления и окисления.

В приведенной реакции окислитель — MnO 4 — принимает 5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Mn 2+ . При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO 4 — , который, соединяясь с H + , образует воду:

MnO 4 — + 8H + + 5e — = Mn 2+ + 4H 2 O

Восстановитель SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO 4 2- содержит больше кислорода, чем исходный SO 3 2- . Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2H + :

SO 3 2- + H 2 O — 2e — = SO 4 2- + 2H +

Находим коэффициент для окислителя и восстановителя , учитывая, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:

MnO 4 — + 8H + + 5e — = Mn 2+ + 4H 2 O ¦2 окислитель, процесс восстановления

SO 3 2- + H 2 O — 2e — = SO 4 2- + 2H + ¦5 восстановитель, процесс окисления

Затем необходимо просуммировать обе полуреакции , предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:

2MnO 4 — + 16H + + 5SO 3 2- + 5H 2 O = 2Mn 2+ + 8H 2 O + 5SO 4 2- + 10H +

Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:

2MnO 4 — + 5SO 3 2- + 6H + = 2Mn 2+ + 5SO 4 2- + 3H 2 O

Запишем молекулярное уравнение, которое имеет следующий вид:

5Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5Na 2 SO 4 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

Na 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 O = Na 2 SO 4 + MnO 2 + KOH

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO 3 2- + MnO 4 — + H 2 O = MnO 2 + SO 4 2- + OH —

Также, как и предыдущем примере, окислителем является MnO 4 — , а восстановителем SO 3 2- .

В нейтральной и слабощелочной среде MnO 4 — принимает 3 электрона и восстанавливается до MnО 2 . SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO 4 — + 2H 2 O + 3e — = MnО 2 + 4OH — ¦2 окислитель, процесс восстановления

SO 3 2- + 2OH — — 2e — = SO 4 2- + H 2 O ¦3 восстановитель, процесс окисления

Запишем ионное и молекулярное уравнения, учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:

3SO 3 2- + 2MnO 4 — + H 2 O =2 MnO 2 + 3SO 4 2- + 2OH —

3Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + H 2 O = 2MnO 2 + 3Na 2 SO 4 + 2KOH

И еще один пример — составление уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в щелочной среде.

Na 2 SO 3 + KMnO 4 + KOH = Na 2 SO 4 + K 2 MnO 4 + H 2 O

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO 3 2- + MnO 4 — + OH — = MnO 2 + SO 4 2- + H 2 O

В щелочной среде окислитель MnO 4 — принимает 1 электрон и восстанавливается до MnО 4 2- . Восстановитель SO 3 2- — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO 4 — + e — = MnО 2 ¦2 окислитель, процесс восстановления

SO 3 2- + 2OH — — 2e — = SO 4 2- + H 2 O ¦1 восстановитель, процесс окисления

Запишем ионное и молекулярное уравнения , учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:

SO 3 2- + 2MnO 4 — + 2OH — = 2MnО 4 2- + SO 4 2- + H 2 O

Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + H 2 O = 2K 2 MnO 4 + 3Na 2 SO 4 + 2KOH

Необходимо отметить, что не всегда при наличии окислителя и восстановителя, возможно самопроизвольное протекание ОВР. Поэтому для количественной характеристики силы окислителя и восстановителя и для определения направления реакции пользуются значениями окислительно-восстановительных потенциалов.

Категории ,

Данный метод подсчета отданных и принятых электронов проводят в соответствии со значениями степеней окисления атомов до и после реакции. При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций нужно пользоваться следующими правилами:

1. Составить схему реакции с указанием исходных веществ и продуктов реакции; найти атомы элементов, которые изменяют степени окисления; определить, кто из них является окислителем, а кто - восстановителем.
2. Составить схемы процессов окисления и восстановления в виде электронных уравнений.
3. Уравнять число отданных и принятых электронов и составить уравнение электронного баланса с учетом найденных дополнительных множителей.
4. Перенести выявленные коэффициенты в схему уравнения.
5. Для соединений, не участвующих в переходе электронов, нахождение коэффициентов провести, сопоставляя число атомов в левой и правой частях уравнения.
6. Проверить правильность расстановки коэффициентов, подсчитав число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения.

Пример 1. Окисление алюминия кислородом протекает по схеме:

Al + O 2 > Al 2 O 3

Степени окисления изменяют атомы алюминия и кислорода:

Al о + O 2 о > Al 2 3+ O 3 2-

Al о - 3e- = Al 3+ (процесс окисления)

O 2 о + 4e- = 2O 2- (восстановление).

Al о - 3e- = Al 3+ ¦4

O 2 о + 4e- = 2O 2- ¦ 3

4Al + 3O 2 > 4 Al 3+ + 6O 2-

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .

Пример 2. При сливании растворов иодида калия и хлорида железа (III) реакция протекает по следующей схеме: KI + FeCl 3 > I 2 + FeCl 2 + KCl

KIЇ + Fe3+Cl3 > I2о+ Fe2+Cl2 + KCl

2I Ї - 2e- = I 2 о (процесс окисления)

Fe 3+ + e- = Fe 2+ (восстановление).

2I Ї - 2e- = I 2 о ¦1

Fe 3+ + e- = Fe 2+ ¦2

Складывая почленно, с учетом найденных множителей, получим:

2I Ї + 2Fe 3+ = I 2 о + 2Fe 2+

Переносим найденные коэффициенты в схему уравнения:

2KI + 2FeCl 3 > I 2 + 2FeCl 2 + KCl.

Осталось уравнять число атомов калия в левой и правой части уравнения:

2KI + 2FeCl 3 > I 2 + 2FeCl 2 + 2KCl.

Чаще всего окислительно-восстановительные реакции имеют более сложный характер и расстановка коэффициентов в таких уравнениях представляют сложную задачу. Естественно, если окислительно-восстановительная реакция протекает в неводной среде или в водном растворе, но без участия молекул воды и ее составляющих, то расставлять коэффициенты в таких уравнениях нужно методом электронного баланса.

Тема – 6: Расстановка коэффициентов в схемах окислительно – восстановительных реакций методом электронного баланса при составлении уравнений.

Студент должен:

Знать:

· Основные понятии и сущность окислительно – восстановительных реакций.

· Правила составления окислительно – восстановительных реакций методом электронного баланса.

Уметь:

· Классифицировать реакции с точки зрения степени окисления.

· Определять и применять понятия – степень окисления, окислители и восстановители, процесс окисления и восстановления.

6.1 Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, которые протекают с изменением степеней окисления атомов в молекулах реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными .

Изменение степеней окисления связано с перемещением электронов от одного атома к другому. Одни атомы отдают электроны, а другие атомы присоединяют их.

Процесс отдачи электронов называется окислением . В процессе окисления степень окисления элемента повышается.

Процесс присоединения электронов называется восстановлением . В процессе восстановления степень окисления элемента понижается.

Окисление и восстановление - это два неразрывных процесса, они протекают одновременно и один из них не может осуществляться без другого.

Атомы, молекулы или ионы, которые отдают в ходе реакции электроны, называются восстановителями. Восстановители в процессе реакции окисляются.

Атомы, молекулы или ионы, которые присоединяют в ходе реакции электроны, называются окислителями. Окислители в процессе реакции восстанавливаются.

Окислительно-восстановительные свойства атомов (т. е. способность атомов принимать или отдавать электроны) зависят от степени окисления, в которой находятся эти атомы в соединениях.

Окислитель в процессе реакции восстанавливается, т. е. присоединяет определенное число электронов. Поэтому окислителем может быть атом, который способен принять электроны на свой внешний электронный слой.

Восстановитель в процессе реакции окисляется, т. е. отдает определенное число электронов. Поэтому восстановителем может быть атом, способный отдавать электроны со своего внешнего электронного слоя.

Атомы в соединениях могут находиться в одном из следующих состояний:

а) в высшей степени окисления;

б) в промежуточной степени окисления;

в) в низшей степени окисления.

Для примера рассмотрим окислительно-восстановительные свойства атома серы в различной степени окисления. Степень окисления показывает электрический заряд на атоме (исходя из предположения, что вещества состоят из ионов), тогда условно состояние атома серы в разных степенях окисления, можно описать следующим образом:

https://pandia.ru/text/80/242/images/image002_33.jpg" width="392" height="187 src=">

2. Вещества, которые могут быть только восстановителями . В молекулах таких веществ элементы, изменяющие степень окисления, находятся в низшей степени окисления (табл. 12)

https://pandia.ru/text/80/242/images/image004_24.jpg" width="407" height="216 src=">

Все простые вещества-неметаллы (кроме F2) могут быть и окислителями, и восстановителями. Все простые вещества металлы могут быть только восстановителями.

6.2. Типы окислительно-восстановительных реакций

Различают три типа окислительно-восстановительных реакций.

1. Межмолекулярные реакции - реакции, которые идут с изменением степеней окисления атомов в различных молекулах, т. е. элемент-окислитель и элемент-восстановитель находятся в разных веществах.

2. Внутримолекулярные реакции - реакции, в которых атомы, изменяющие свои степени окисления, находятся в одной молекуле, т. е. элемент-окислитель и элемент-восстановитель входят в состав одного вещества.

3. Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) - реакции, которые идут с изменением степени окисления атомов одного и того же элемента. При этом исходное вещество образует соединения, одно из которых содержит атомы данного элемента с более высокой, а другое - с более низкой степенями окисления. Эти реакции возможны для веществ, содержащих атомы с промежуточной степенью окисления.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций используют метод электронного баланса и метод полуреакций.

Метод электронного баланса : в его основе лежит правило: общее число электронов, которое отдает восстановитель, должно быть равно общему числу электронов, которое присоединяет окислитель.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций осуществляется в несколько этапов:

1) записывают схему реакции с указанием степеней окисления элементов в молекулах исходных веществ и продуктов реакции и определяют элементы, которые изменяют свои степени окисления;

2) составляют уравнения процессов окисления и восстановления;

3) уравнивают число присоединенных и число отданных электронов введением множителей, исходя из наименьшего общего кратного для чисел электронов в процессах окисления и восстановления;

4) найденные коэффициенты подставляют в уравнение реакции перед формулами веществ, которые содержат частицы, участвующие в процессах окисления и восстановления;

5) коэффициенты перед формулами оставшихся веществ находят методом подбора;

6) проверяют правильность составления уравнения (обычно достаточно проверить баланс атомов кислорода в левой и правой частях уравнения)

Например : составить уравнение реакции взаимодействия сероводорода с подкисленным раствором перманганата калия.

Сначала пишут схему реакции - формулы исходных и полученных веществ:

H2S + KMn04 + H2S04 -» S + MnS04 + KaS04 + Н20

Затем определяют степени окисления атомов до и после реакции:

https://pandia.ru/text/80/242/images/image006_21.jpg" width="191" height="71 src=">

Находят коэффициенты при окислителе и восстановителе, а затем при других реагирующих веществах. Из электронных уравнений видно, что надо взять 5 молекул H2S и 2 молекулы КМn04, тогда получится 5 атомов серы и 2 молекулы MnS04. Кроме того, из сопоставления числа атомов в левой и правой частях уравнения находят, что образуется также 1 молекула K2S04 и 8 молекул воды. Окончательное уравнение реакции имеет вид

5H2S + 2KMn04 + 3H2S04 = = 5S + 2MnS04 + K2S04 + 8H20

Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом атомов кислорода: в левой части их 2 4 + 3 4 = 20 и в правой 2 4 + 4 + 8 = 20.

Вопросы для самостоятельной подготовки.

1. Подберите коэффициенты в уравнениях следующих окислительно – восстановительных реакциях:

А) Al + Fe3O4 → Al2O3 + Fe

Б) FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2

В) Mg + HNO3(разб) → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + H2O

Г) Al + NaOH + H2O → Na + H2

Д) Fe (OH)2 + O3 + H2O → Fe(OH)3

2.Используя метод электронного баланса, составите уравнения следующих окислительно – восстановительных реакций:

А) FeS + O2 → Fe2O3 + SO2

Б) FeCl3 + KI → I2 + …