Метод полуреакций - составление уравнений ОВР

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из двух "половинок" - в ходе ОВР идут два процесса - процесс окисления вещества-восстановителя и процесс восстановления вещества-окислителя. Оба эти процесса могут быть описаны соответственными ионными уравнениями, которые потом можно суммировать и получить итоговое общее ионное уравнение реакции, а потом записать молекулярное уравнение.

В качестве примера составим уравнение реакции сероводорода с раствором калия перманганата в кислой среде методом полуреакций. Ранее это уравнение было составлено методом электронного баланса.

В ходе реакции происходит разложение молекул сероводорода на серу и водород, о чем свидетельствует постепенное помутнение раствора перманганата калия (сера выпадает в осадок). Процесс окисления сероводорода запишем в виде уравнения полуреакции окисления:

H₂S → S+2H⁺

Поскольку в левой и правой частях схемы кол-во атомов серы и водорода равно, то стрелку можно заменить на знак равенства, уравняв предварительно число зарядов в исходном веществе и продуктах реакции:

H₂S-2e^- = S+2H⁺

Параллельно с помутнение раствора идет и смена его окраски - из малинового раствор становится бесцветным,что объясняется переходом ионов MnO₄^-, имеющих малиновую окраску, в практически бесцветный катион марганца Mn²⁺. Эта полуреакция восстановления выражается схемой:

MnO₄^- → Mn²⁺

А куда же делся атом кислорода? - обязательно спросит внимательный читатель. В кислой среде атом кислорода, входящий в состав иона, соединяется с атомами водорода, выделяющимися в ходе полуреакции окисления, образуя молекулу воды, при этом, поскольку из одного иона освобождается аж 4 атома кислорода, то для их связывания требуется 8 атомов водорода:

MnO₄^-+8H⁺ → Mn²⁺+4H₂O

Чтобы уравнять заряды в левой и правой части схемы, в левую часть надо добавить 5 электронов (в левой части сумма зарядов +7, а в левой +2):

MnO₄^-+8H⁺+5e^- = Mn²⁺+4H₂O

Для получения суммарного уравнения реакции, необходимо почленно сложить две полуреакции, предварительно уравняв кол-во отданных и полученных электронов, по аналогии с методом электронного баланса:

5| H₂S-2e^-       = S+2H⁺
2| MnO₄^-+8H⁺+5e^- = Mn²⁺+4H₂O
-------------------------
5H₂S+2MnO₄^-+16H⁺ = 5S+10H⁺+2Mn²⁺+8H₂O
5H₂S+2MnO₄^-+6H⁺ = 5S+2Mn²⁺+8H₂O

Проверяем кол-во атомов и заряды в левой и правой частях суммарного уравнения, они равны, значит уравнение составлено правильно (водорода - по 16 атомов; серы - по 5; марганца - по 2; кислорода - по 8; заряды - по +4).

Чтобы перейти от ионного уравнения к молекулярному, надо в левой части подобрать к катионам и анионам их "пары" - анионы и катионы соответственно, после чего подобранные ионы записать и в правую часть уравнения, после этого ионы объединяются в молекулы, и получается молекулярное уравнение.

5H₂S+2MnO₄^-+6H⁺ = 5S+2Mn²⁺+8H₂O
      2K⁺  3SO₄^2- 2K⁺ 3SO₄^2-
--------------------------
5H₂S+2KMnO₄+3H₂SO₄ = 5S+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

Результат аналогичен уравнению, полученному методом электронного баланса.

Правила составления уравнений ОВР методом полуреакций

На первом этапе в ионном виде записывают полуреакцию окисления и полуреакцию восстановления, в которых указывают вещество-восстановитель и вещество-окислитель, с продуктами их реакции.
Сильные электролиты записываются в виде ионов.
Слабые электролиты, газы и твердые вещества, выпадающие в осадок - в виде молекул.
Продукты реакции между восстановителем и окислителем устанавливаются по справочникам или по "шпаргалке", приведенной на странице "Определение продуктов ОВР" (это самый сложный этап для начинающих).
Записывают схему реакции, в которой многоточием обозначают неизвестные продукты реакции.
Что делать с кислородом:
- Если в исходном веществе кислорода содержится больше, чем в продуктах реакции, то "лишний" кислород в растворах с кислой средой связывается с катионами водорода, образуя молекулы воды (O^-2+2H⁺=H₂O); в нейтральных растворах - в гидроксид-ионы: O^-2+H₂O=2OH^-;
- Если в исходном веществе кислорода содержится меньше, чем в продуктах реакции, то "недостающий" кислород "забирается" из молекул воды (в растворах с кислой и нейтральной средой): H₂O=O^-2+2H⁺; в щелочных растворах - за счет гидроксид-ионов: 2OH^-=O^-2+H₂O.
В левой и правой частях уравнения должны быть равны суммарное число и знак электрических зарядов.

Достоинства метода полуреакций:

Работают с реально существующими ионами (MnO₄^-), а не виртуальными (Mn⁺⁷).
Нет необходимости знать степени окисления атомов.
Прослеживается роль среды, в которой происходит взаимодействие веществ.
Не нужно знать все продукты реакции, они выводятся "сами собой" в процессе составления уравнения.

Пример составления уравнения ОВР для кислотной среды

Составление уравнения реакции серы с азотной кислотой:

S+HNO₃
S⁰ → SO₄^2- - процесс окисления восстановителя.
NO₃^- → NO - процесс восстановления окислителя.
Приводим в "порядок" первую полуреакцию окисления:
- S⁰ → SO₄^2- - отличник должен здесь спросить, откуда справа взялся кислород? Немного терпения, сейчас все станет ясно.
- в правую часть схемы, где присутствует избыток кислорода, добавляется катион водорода:
  S⁰ → SO₄^2-+H⁺
- у внимательного читателя тут же должен возникнуть вопрос - а откуда взялся катион водорода? Отвечаем: из молекулы воды, которая добавляется в левую часть схемы:
  S⁰+H₂O → SO₄^2-+H⁺
- Вот теперь настало время уравнять в обеих частях схемы кислород, который, теперь понятно, откуда взялся:
  S⁰+4H₂O → SO₄^2-+H⁺
- Теперь надо уравнять водород:
  S⁰+4H₂O → SO₄^2-+8H⁺
- С атомами элементов в обеих частях схемы полный порядок, осталось разобраться с зарядами - в левой части заряд нулевой; в правой: (-2)+8(+1)=+6:
  S⁰+4H₂O-6e^- → SO₄^2-+8H⁺
Делаем аналогичную работу со второй полуреакцией восстановления:
- NO₃^- → NO
- Добавляем водород, в левую часть, где присутствует "лишний" кислород:
  NO₃^-+H⁺ → NO
- В правую часть добавляем воду:
  NO₃^-+H⁺ → NO+H₂O
- Уравниваем кислород:
  NO₃^-+H⁺ → NO+2H₂O
- Уравниваем водород:
  NO₃^-+4H⁺ → NO+2H₂O
- Уравниваем заряды:
  NO₃^-+4H⁺+3e^- → NO+2H₂O
Уравниваем кол-во электронов, которые были отданы и приняты в двух полуреакциях:
```
1| S⁰+4H₂O-6e^- → SO₄^2-+8H⁺
2| NO₃^-+4H⁺+3e^- → NO+2H₂O
```
Суммируем левые и правые части, предварительно умножив на коэффициент (2) члены второй полуреакции:
```
S⁰+4H₂O-6e^- = SO₄^2-+8H⁺
2NO₃^-+8H⁺+6e^- = 2NO+4H₂O
------------------
S+4H₂O+2NO₃^-+8H⁺ = SO₄^2-+8H⁺+2NO+4H₂O
```
Проводим сокращение одинаковых членов в левой и правой частях схемы и добавляем в пару к анионам "нужные" катионы, чтобы образовались молекулы, в нашем случае это будут молекулы азотной и серной кислоты, для этого мы добавим катион водорода (2H⁺):
```
S+2NO₃^- = SO₄^2-+2NO
  2H⁺    2H⁺
```
Суммарное молекулярное уравнение:
S+2HNO₃ = H₂SO₄+2NO - в результате взаимодействия серы с азотной кислотой получается серная кислота и оксид азота (II).

Пример составления уравнения ОВР для кислотной среды

"Фокус" уравнивания кол-ва атомов кислорода и водорода для уравнений ОВР в щелочной среде заключается в следующем:

Вода (H₂O) добавляется в ту часть полуреакции, в которой присутствует избыток кислорода.
Соответственно, в противоположную часть уравнения-схемы добавляется удвоенное число гидроксид-ионов (OH^-).
Перед формулой молекулы воды ставится коэффициент, уравнивающий разницу кол-ва атомов кислорода в левой и правой частях полуреакции.
Перед формулой гидроксид-иона ставится удвоенный коэффициент.
Восстановитель присоединяет атомы кислорода из гидроксид-ионов.

MnO₂+KClO₃+KOH → ?
MnO₂ → MnO₄^2- оксид марганца является восстановителем, он будет связывать гидроксид-ионы.
Поскольку в правой части схемы килорода больше (на 2 атома), то вода добавляется сюда же, перед ее формулой ставится коэффициент 2, соответственно, в левую часть схемы полуреакции добавляют 4 гидроксид-иона:
MnO₂+4OH^- → MnO₄^2-+2H₂O
Уравниваем заряды:
MnO₂+4OH^--2e^- → MnO₄^2-+2H₂O
ClO₃^- → Cl^- - полуреакция восстановления.
Избыток кислорода (3 "лишних" атома) находится в левой части схемы полуреакции, сюда же добавляем и 3 молекулы воды, а в правую часть 6 гидроксид-ионов:
ClO₃^-+3H₂O → Cl^-+6OH^-
Уравниваем заряды:
ClO₃^-+3H₂O+6e^- → Cl^-+6OH^-
Уравниваем в полуреакциях кол-во отданных и принятых электронов (6 и 2 сокращаем на 2), и получаем суммарное уравнение, путем сложения двух уравнений полуреакций:
```
3} MnO₂+4OH^--2e^- = MnO₄^2-+2H₂O
1| ClO₃^-+3H₂O+6e^- = Cl^-+6OH^-
-----------------------
3MnO₂+12OH^-+ClO₃^-+3H₂O = 3MnO₄^2-+6H₂O+Cl^-+6OH^-
```
Проводим сокращение подобных слагаемых и добавляем катионы калия, чтобы перейти к молекулярной форме уравнения реакции:
```
3MnO₂+6OH^-+ClO₃^- = 3MnO₄^2-+3H₂O+Cl^-
       6K⁺  K⁺     6K⁺         K⁺
```
Молекулярное уравнение реакции:
3MnO₂+6KOH+KClO₃ = 3K₂MnO₄+3H₂O+KCl

Пример составления уравнения ОВР для нейтральной среды

Среду нейтральной можно счситать лишь условно, в любом случае, среда будет либо слабощелочной, либо слабокислотной.

Составляя уравнение ОВР методом полуреакций для нейтральной среды, одну полуреакцию составляют, как для кислотной среды - в левую часть схемы добавляют молекулу воды, в правую - катион водорода), вторую - как для щелочной (в левую часть добавляют молекулу воды, в правую - гидроксид-ион).

Na₂SO₃+KMnO₄+H₂O
SO₃^2- → SO₄^2- - процесс окисления восстановителя;
MnO₄^- → MnO₂ - процесс восстановления окислителя;
Схема реакции:
SO₃^2-+MnO₄^- → SO₄^2-+MnO₂+...

Составляем уравнения полуреакций:

3| SO₃^2-+H₂O-2e^-  = SO₄^2-+2H⁺
2| MnO₄^-+2H₂O+3e^- = MnO₂+4OH^-
------------------------
3SO₃^2-+2MnO₄^-+H₂O = 3SO₄^2-+2MnO₂+2OH^-

Молекулярное уравнение:
```
3Na₂SO₃+2KMnO₄+H₂O = 3Na₂SO₄+2MnO₂+2KOH
```

Еще один пример:

S+KMnO4 → ?
S → SO₄^2-
MnO₄^- → MnO₂
Первую полуреакцию оформляем, как для кислотной среды; вторую - как для щелочной:
```
1| S+4H₂O-6e^- = SO₄^2-+8H⁺
2| MnO₄^-+2H₂O+3e^- = MnO₂+4OH^-
------------------
S+4H₂O+4H₂O+2MnO₄^- = SO₄^2-+8H⁺+8OH^-+2MnO₂
```
Сокращаем обе части равенства на 8 молекул воды, и добавляем катионы калия:
```
S+4H₂O+2MnO₄^- = SO₄^2-+2MnO₂
        2K⁺     2K⁺
```
Молекулярное уравнение:
S+2KMnO₄ = K₂SO₄+2MnO₂

Более подробно составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом полуреакций в различных средах рассмотрено на странице Влияние среды на протекание ОВР.

В начало страницы