Метод полуреакций ОВР

МЕТОД ПОЛУРЕАКЦИЙ 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.

Метод полуреакций для уравнивания ОВР.

Метод полуреакций является удобным и универсальным методом уравнивания окислительно-восстановительных реакций. Методом полуреакций можно уравнять даже такие реакции, которые крайне сложно уравнять другими методами (см. примеры в конце). Прелесть метода заключается в том, что именно в форме полуреакций записаны справочные данные по стандартным электродным потециалам. А это значит, что большинство необходимых полуреакций можно брать прямо из справочников!

Алгоритм.
Вспомним, что такое степень окисления, окислитель и восстановитель.

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Руководствуясь здравым смыслом и значениями электроотрицательностей, определим степени окисления каждого элемента в каждом соединении в левой и правой частях уравнения. У нас должна получиться такая картина:

Fe⁰ → Fe⁺² - элемент потерял электроны, повысил степень окисления (окислился);
H⁺¹ → H⁰ - элемент получил электроны, понизил степень окисления (восстановился);
Cl^-1 → Cl^-1 - степень окисления элемента не изменилась.

Полуреакцией восстановления называется реакция, описывающая превращение элемента-окислителя, записанная в ионном виде:

2H⁺ +2e^- = H₂
Полуреакцией окисления называется реакция, описывающая превращение элемента-восстановителя, записанная в ионном виде:

Fe = Fe²⁺ + 2e^-

Суммарное уравнение и является уравнением ОВР, записанном в ионном виде. При "сложении" полуреакций окисления и восстановления каждую полуреакцию следует умножить на соответствующий коэффициент таким образом, чтобы в левой и правой части уравнения было одинаковое количество электронов. В данном случае и в левой, и в правой части по два электрона, поэтому умножать не нужно. (Точнее, эти коэффициенты равны единице).

Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂ - уравнение ОВР в ионном виде. Для перехода в стандартный вид добавим противоионы - в нашем случае хлорид-ионы Cl^-.

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Рассмотрим более сложный пример. Задание: уравнять реакцию окисления перекиси водорода перманганатом калия в кислой среде:

H₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ = O₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

Полуреакция восстановления составляется таким образом, чтобы ион-окислитель (MnO₄^-) любой ценой превратился в ион-продукт (Mn²⁺). Избыточный кислород из иона-окислителя должен оказаться в правой части полуреакции в виде воды.

MnO₄^- (...) Mn²⁺ + H₂O

Поскольку превращение протекает в кислой среде, для этого следует добавить соответствующее количество протонов:

MnO₄^- + 8H⁺ (...) Mn²⁺ + 4H₂O

По разнице зарядов в левой и правой частях находим число электронов. Не забываем, что электроны заряжены отрицательно! Сумма зарядов слева = +7, сумма зарядов справа = +2, следовательно, в левую часть нужно добавить 5 электронов, что соответствует переходу марганца из степени окисления +7 в степень окисления +2:

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O

Аналогично с полуреакцией окисления. Следует помнить понятие силы электролита. Слабые электролиты, такие как H₂O₂, в растворе будут находиться в молекулярном виде. Избыточный водород превращается в протоны, а недостаток кислорода, если таковой имеется, восполняется из воды, которая также превращается в протоны (см. примеры ниже).

H₂O₂ = O₂ + 2H⁺ + 2e^-

Для избавления от электронов умножим полуреакцию восстановления на 2, а полуреакцию окисления на 5. Очевидна ли связь с понятием наименьшего общего кратного? Слева и справа получается по 10 электронов. Ура!

2 || MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^-= Mn²⁺ + 4H₂O
5 || H₂O₂ = O₂ + 2H⁺ + 2e^-
___________________________________________________________
5H₂O₂ + 2MnO₄^- + 16H⁺ + 10e^- = 5O₂ + 2Mn²⁺ + 8H₂O + 10H⁺ + 10e^-

В обоих частях уравнения оказались протоны, но это легко исправить!

5H₂O₂ + 2MnO₄^- + 16 6H⁺ = 5O₂ + 2Mn²⁺ + 8H₂O + 10H⁺

Мы получили краткое ионное уравнение ОВР. Теперь добавим противоионы так, чтобы суммарный заряд в обоих частях уравнения был равен нулю, и получим полное ионное уравнение ОВР. Если до этого по ходу решения не было ошибок, это действие будет элементарным:

5H₂O₂ + 2K⁺ + 2MnO₄^- + 6H⁺ + 3SO₄^2- = 5O₂ + 2Mn²⁺ +2K⁺ 3SO₄^2- + 8H₂O

И, наконец, цель достигнута!
5H₂O₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5O₂ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O 

Теперь рекомендуется проверить правильность уравнивания реакций. Для этого проще всего посчитать количество атомов кислорода в левой (5•2+2•4+3•4=30) и правой (5•2+4+2•4+8=30) частях уравнения и убедиться, что они равны. Для полной уверенности можно пересчитать и атомы водорода: (5•2+3•2=16=8•2). В некоторых случаях подсчёт атомов кислорода может показаться затруднительным.

Проверьте уравнение:

6FeSO₄ + K₂Cr₂O₇ + 7H₂SO₄ = 3Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O

Пересчитаем сульфатные остатки: 6+7=13, 9+1+3=13. 7 атомов кислорода из бихромата превратились в 7 молекул воды. Всё сходится!

Уравнивание сложных реакций.

С помощью сложных реакций можно уравнять... всё, что угодно, бумага стерпит. [в Аванте был пример выдуманной реакции с каким-то карбамидно-тиоцианатным комплексом хрома, с коэффициентами под 1000. Подсмотрите, пожалуйста?]. Метод особенно хорош для уравнивания реакций окисления органических веществ.

Окисление этилбензола в бензойную кислоту (Ph = C₆H₅, остаток бензола. Раз в реакции он не участвует, зачем ему нас смущать своими лишними углеродами и водородами?). Попробуйте уравнять методом электронного баланса:

PhC₂H₅ + KMnO₄ + H₂SO₄ = PhCOOH + CO₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

Ну как? И тут, весь в белом, появляется метод полуреакций. Полуреакцию восстановления мы уже видели, а полуреакция окисления в кислой среде составляется по простому принципу "недостаток кислорода - из воды, лишний водород - в протоны". Получаем:

12 || MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^-= Mn²⁺ + 4H₂O
  5 || PhC₂H₅ + 4H₂O = PhCOOH + CO₂ +12H⁺ + 12e^-
_______________________________________________________________________

5PhC₂H₅ + 12MnO₄^- + 96H⁺ + 20H₂O = 5PhCOOH + 5CO₂ + 12Mn²⁺ + 48H₂O + 60H⁺
5PhC₂H₅ + 12KMnO₄ + 18H₂SO₄ = 5PhCOOH + 5CO₂ + 6K₂SO₄ + 12MnSO₄ + 28H₂O 

Окисление перфторнафталина (октафторнафталина, C₁₀F₈) 100%-й азотной кислотой в перфторфталевый ангидрид (тетрафторфталевый ангидрид, C₈F₄O₃:

10 || NO₃^- + 2H⁺ + e^- = NO₂ + H₂O
  1 || C₁₀F₈ + 7H₂O = C₈F₄O₃ + 2CO₂ + 4F^- + 14H⁺ + 10e^-
____________________________________________________________

C₁₀F₈ + 7H₂O + 10NO₃^- 20H⁺ = C₈F₄O₃ + 2CO₂ + 10NO₂ + 4F^- + 14H⁺ + 10H₂O
C₁₀F₈ + 10HNO₃ = C₈F₄O₃ + 2CO₂ + 10NO₂ + 4HF + 3H₂O 

Полное окисление полипиррольной смолы (приблизительная формула C₄H₃N) хромпиком (раствор бихромата калия в концентрированной серной кислоте; приблизительная формула K₂Cr₃O₁₀). Используется для отмывания химической посуды от этой самой смолы:

38 || Cr₃O₁₀^2- + 20H⁺ + 9e^- = 3Cr³⁺ + 10H₂O
  9 || 2C₄H₃N + 16H₂O = 8CO₂ + N₂ + 38H⁺ + 38e^-
____________________________________________________________
18C₄H₃N + 38Cr₃O₁₀^2- + 760H⁺ + 144H₂O = 72CO₂ + 9N₂ + 114Cr³⁺ + 342H⁺ + 380H₂O
18C₄H₃N + 38K₂Cr₃O₁₀ + 209H₂SO₄ = 72CO₂ + 9N₂ + 38K₂SO₄ + 57Cr₂(SO₄)₃ + 236H₂O 

Полуреакции восстановления некоторых веществ.

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^-= Mn²⁺ + 4H₂O (кислая среда, Mn⁺⁷ → Mn⁺²);
MnO₄^- + 4H⁺ + 3e^- = MnO₂ + 2H₂O (нейтральная среда, Mn⁺⁷ → Mn⁺⁴);
MnO₄^- + e^- = MnO₄^2- (щелочная среда, Mn⁺⁷ → Mn⁺⁶);

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^- = 2Cr³⁺ + 7H₂O (Cr⁺⁶ → Cr⁺³)
CrO₄^2- + 4H₂O + 3e^-= [Cr OH)₆]^3- + 2OH^- (то же; не забываем про равновесие 2CrO₄^2- + 2H⁺ = Cr₂O₇^2- + H₂O)

2XO₃^- + 10H⁺ + 10e^- = X₂ + 5H₂O (X⁺⁵ → X⁰) (X = Cl, Br, I)
X₂ + 2e^- = 2X^- (X = Cl, Br, I)

2H⁺ +2e^- = H₂ (H⁺ → H⁰)
SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^- = SO₂ + 2H₂O (S⁺⁶ → S⁺⁴)
SO₄^2- + 8H⁺ + 6e^- = S + 4H₂O (S⁺⁶ → S⁰)
NO₃^- + 2H⁺ + e^- = NO₂ + H₂O (N⁺⁵ → N⁺⁴)
NO₃^- + 4H⁺ + 3e^- = NO + 2H₂O (N⁺⁵ → N⁺²)
2NO₃^- + 12H⁺ + 10e^- = N₂ + 6H₂O (N⁺⁵ → N⁰)

Метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций)

Содержание  скрыть 

1 Метод электронного баланса

2 Ионно-электронный метод (метод полуреакций)

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 метода электронного баланса 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.

1) Составить схему реакции:

Записать исходные вещества и продукты реакции, учитывая, что в кислой среде MnO₄^— восстанавливается до Mn²⁺ (см. схему):

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

2) Определить окислитель и восстановитель

Найдем степень окисления элементов:

Na₂S⁺⁴O₃ + KMn⁺⁷O₄ + H₂SO₄ = Na₂S⁺⁶O₄ + Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Из приведенной схемы понятно, что в процессе реакции происходит увеличение степени окисления серы с +4 до +6. 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.

3) Составить электронные уравнения и найти коэффициенты при окислителе и восстановителе.

S⁺⁴ – 2e^— = S⁺⁶           | 5  восстановитель, процесс окисления

Mn⁺⁷ +5e^— = Mn⁺²    | 2  окислитель, процесс восстановления

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:

5Na₂S⁺⁴O₃ + 2KMn⁺⁷O₄ + H₂SO₄ = 5Na₂S⁺⁶O₄ + 2Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

4) Уравнять количества атомов элементов, не изменяющих степень окисления

Соблюдаем последовательность: 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 SO₄^2-, из которых 5 – за счет превращения 5SO₃^2- → 5SO₄^2-, а 3 – за счет молекул серной кислоты 8SO₄^2-— 5SO₄^2- = 3SO₄^2-.

Таким образом, серной кислоты надо взять 3 молекулы:

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

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

6H⁺ + 3O^-2 = 3H₂O

Окончательный вид уравнения следующий:

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

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 ионов, а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде).

При написании полуреакций в ионной схеме указывают частицы, подвергающиеся изменению их степеней окисления, а также характеризующие среду, частицы:

H⁺ — кислая среда, OH^— — щелочная среда и H₂O – нейтральная среда.

Пример 1.

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

1) Составить схему реакции:

Записать исходные вещества и продукты реакции:

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

2) Записать уравнение в ионном виде

В уравнении сократим те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:

SO₃^2- + MnO₄^— + 2H⁺ = Mn²⁺ + SO₄^2- + H₂O

3) Определить окислитель и восстановитель и составить полуреакции процессов восстановления и окисления.

В приведенной реакции окислитель — MnO₄^— принимает 5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Mn²⁺. При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO₄^—, который, соединяясь с H⁺ образует воду:

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— = Mn²⁺ + 4H₂O

Восстановитель SO₃^2- — окисляется до SO₄^2-, отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO₄^2- содержит больше кислорода, чем исходный SO₃^2-. Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2H⁺:

SO₃^2- + H₂O — 2e^— = SO₄^2- + 2H⁺

4) Найти коэффициенты для окислителя и восстановителя

Необходимо учесть, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— = Mn²⁺ + 4H₂O      |2             окислитель, процесс восстановления

SO₃^2- + H₂O — 2e^— = SO₄^2- + 2H⁺          |5             восстановитель, процесс окисления

5) Просуммировать обе полуреакции

Предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:

2MnO₄^— + 16H⁺ + 5SO₃^2- + 5H₂O = 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5SO₄^2- + 10H⁺

Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:

2MnO₄^— + 5SO₃^2- + 6H⁺ = 2Mn²⁺ + 5SO₄^2- + 3H₂O

6) Записать молекулярное уравнение

Молекулярное уравнение имеет следующий вид:

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Пример 2.

Далее рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в нейтральной среде.

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂O = Na₂SO₄ + MnO₂ + KOH

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO₃^2- + MnO₄^— + H₂O = MnO₂ + SO₄^2- + OH^—

Также, как и предыдущем примере, окислителем является MnO₄^—, а восстановителем SO₃^2-.

В нейтральной и слабощелочной среде MnO₄^— принимает 3 электрона и восстанавливается до MnО₂. SO₃^2-— окисляется до SO₄^2-, отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO₄^— + 2H₂O  + 3e^— = MnО₂ + 4OH^—       |2             окислитель, процесс восстановления

SO₃^2- + 2OH^—— 2e^— = SO₄^2- + H₂O               |3             восстановитель, процесс окисления

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

3SO₃^2- + 2MnO₄^— + H₂O =2MnO₂ + 3SO₄^2- + 2OH^—

3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O = 2MnO₂ + 3Na₂SO₄ + 2KOH

Пример 3.

Составление уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в щелочной среде.

Na₂SO₃ + KMnO₄ + KOH = Na₂SO₄ + K₂MnO₄ + H₂O

В ионном виде уравнение принимает вид:

SO₃^2- + MnO₄^— + OH^— = MnO₂ + SO₄^2- + H₂O

В щелочной среде окислитель MnO₄^— принимает 1 электрон и восстанавливается до MnО₄^2-. Восстановитель SO₃^2-— окисляется до SO₄^2-, отдав 2 электрона.

Полуреакции имеют следующий вид:

MnO₄^— + e^— = MnО₂                                           |2             окислитель, процесс восстановления

SO₃^2- + 2OH^—— 2e^— = SO₄^2- + H₂O         |1             восстановитель, процесс окисления

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

SO₃^2- + 2MnO₄^— + 2OH^— = 2MnО₄^2- + SO₄^2- + H₂O

Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O = 2K₂MnO₄ + 3Na₂SO₄ + 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.

Еще больше примеров составления окислительно-восстановительных реакций приведены в разделе Задачи к разделу Окислительно-восстановительные реакции. Также в разделе тест Окислительно-восстановительные реакции