Расстановка коэффициентов методом электронного баланса, если в уравнении более 2 элементов меняют степени окисления.

Расстановка коэффициентов методом электронного баланса, если в уравнении более 2 элементов меняют степени окисления.

Решение заданий части С требует от учащихся достаточного базового объёма знаний и умений.

Чтобы успешно выполнить задание С1 по расстановки коэффициентов методом электронного баланса учащиеся должны в первую очередь знать теоретический материал и овладеть набором следующих умений:

1. Расставлять степени окисления элементов в молекулярных формулах веществ;

2. Составлять электронный баланс, то есть определять количество и направление перехода электронов;

3. Расставлять коэффициенты.

Обязательные теоретические знания:

1. Электроотрицательность – способность атомов притягивать к себе общие электронные пары.

2. Притягивая к себе электроны, атомы приобретают частичный (-) заряд. Наиболее электроотрицательными являются неметаллы, они находятся в конце каждого периода Периодической системы.

3. Металлы, как правило, смещают электроны от себя, приобретая положительный заряд. Наиболее (+) являются Ме, стоящие в начале каждого периода.

4. Степень окисления. Понятие степени окисления весьма формально: это заряд, который приобрел бы атом, если бы все связи в молекуле стали ионными. Можно объяснить степень окисления несколько иначе: как число электронов, смещенных к атому (–) или от атома (+).

5. При определении степени окисления в неорганических веществах чаще всего пользуются алгебраическим методом. Степень окисления каждого отдельного атома должна быть целым числом (потому что смещается целое количество электронов).

6. Значение степени окисления некоторых элементов:

а) Степень окисления элементов в простых веществах равна 0.

б) Фтор в соединениях имеет степень окисления – 1.

в) Металлы 1-2 группы главной подгруппы в соединениях имеют степень окисления + равную № группы.

г) У алюминия и бора степень окисления + равная № группы, но у алюминия галлия, индия и таллия есть соединения, в которых они проявляют степень окисления +1

д) Водород в большинстве соединений проявляет степень окисления +1, и только в гидридах (соединениях с металлами) может быть – 1.

е) Кислород чаще всего проявляет степень окисления – 2. Однако, в соединениях с фтором может быть +1 или +2, в соединениях с активными металлами и водородом может проявлять степень окисления – 1 (пероксиды), и дробные степени окисления (надпероксиды и озониды).

Для того, чтобы понять, что в этом соединении у кислорода(или другого элемента) нетипичная степень окисления достаточно расставлять степени окисления сначала у атомов, которые имеют только постоянные значения, а потом у других.

Например, КО₃. Расставлять степени окисления нужно с калия, так как у него возможна единственная степень окисления +1, тогда у кислорода – 1/3. N₂H₄ – расставлять степени окисления следует с водорода, так как он соединен с неметаллом, то проявляет степень окисления +1, значит, у азота степень окисления – 2. HOF – сначала определим степень окисления фтора – 1, потом водорода +1, степень окисления кислорода оказывается 0.

Все остальные не могут проявлять переменные степени окисления от (№ группы – 8) – низшая степень окисления до + № группы – высшая степень окисления.

Если атом неметалла является в молекуле наиболее электроотрицательным, то его степень окисления скорее всего будет низшей (№ группы – 8).

Металлы побочных подгрупп и главных подгрупп 4 – 6 групп могут иметь только положительные степени окисления в соединениях, причем у элементов побочных подгрупп номер группы не всегда соответствует высшей степени окисления (например, медь +2, золото +3, железо +6, никель +2, кобальт +3 и т.д.). Степень окисления этих элементов можно определить только по формуле.

Алгебраический метод определения степени окисления исходит из того, что молекула в целом электронейтральна, то есть сумма степеней окисления всех элементов равна нулю.

Например, определим степени окисления элементов в молекуле серной кислоты H₂SO₄. Так как водород в этой молекуле не связан с металлом, то его степень окисления +1(на 2 атома водорода приходится +2), кислород не связан с фтором, перед нами явно не пероксид и не озонид, поэтому его степень окисления – 2 (на 4 атома кислорода приходится –8). Обозначим степень окисления серы за х. Тогда +2–8+х = 0; х = +6.

Этот метод хорош и для определения степени окисления элементов в ионах. Например, ортофосфат-анион PO₄^3–.

У кислорода степень окисления – 2, на 4 атома кислорода приходится –8, пусть степень окисления фосфора х, тогда сумма степеней окисления равна заряду иона, то есть: х–8 = –3, откуда х = +5

Вот несколько другой подход:

Определим, какой элемент в молекуле наиболее электроотрицательный и отделим его. Это кислород, у него будет низшая степень окисления (№ группы – 8) = 6 – 8 = –2. Умножим индекс 4 на степень окисления –2, получится –8. Значит, на оставшуюся часть молекулы приходится +8. Из них +2 приходится на водород, значит, на серу остается +6.

⁺¹H₂SO₄^–2

+8 –8

Если в формуле используются скобки

Первый вариант заключается в том, что нужно раскрыть скобки:

Например, ортофосфат кальция. Ca₃(PO₄)₂ или Ca₃P₂O₈, дальше можно действовать любым из указанных выше способов. Степени окисления кальция и кислорода очевидны, следует найти только степень окисления фосфора.

Второй вариант заключается в том, что нужно определить степень окисления фосфора в соответствующей кислоте.

Третий вариант – найти степени окисления в ионе PO₄ ^{3 –}

В формулах, где степень окисления не является постоянной у 2 элементов, нужно ориентироваться с помощью зарядов ионов.

Например, Fe₂(SO₄)₃. Индекс у сульфат- иона показывает заряд железа. Дальше – любым из выше перечисленных способов.

FeSO₄ – заряд сульфат -иона – 2, значит, у железа +2. И т.д.

Задание 1. Любым из вышеперечисленных способов определите ст. окисления каждого элемента в соединениях NO₂F, BaO₂, NH₄F, NaH₂PO₂, Ca(SCN)₂, K₄[Fe(CN)₆].

Обязательные знания:

Окисление – процесс отдачи электронов. (Небольшой мнемонический приём: Окисление – Отдача, начинаются с одной буквы)

Восстановление – процесс принятия электронов.

Окисление происходит с восстановителем. Значит, восстановитель отдает электроны, окисляется, его степень окисления повышается.

Восстановление происходит с окислителем. Значит, окислитель принимает электроны, восстанавливается, его степень окисления понижается.

Графический метод:

Сколько электронов принимает или отдает атом элемента, можно посчитать по координатной прямой.

А теперь логический метод. Положительная степень окисления атома – это нехватка отрицательных частиц – электронов, отрицательная – избыток электронов. Например, S⁺⁴ S ^{– 2} . Рассуждаем так: до реакции атому серы не хватало 4 электронов, после реакции появилось 2 лишних. Это значит, что он приобрел 6 электронов (4 – для того, чтобы стать нейтральной частицей, и ещё 2 – чтобы приобрести отрицательную степень окисления).

После того, как учащиеся научатся определять количество и направление перехода электронов, и записывать это в виде электронного баланса, можно переходить к расстановке коэффициентов.

ПРИМЕР 2. KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂SO₄  MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Определяем степени окисления всех элементов; Выбираем те элементы, у которых изменилась степень окисления; Составляем электронный баланс

S⁺⁴ – 2e  S⁺⁶ 5 восстановитель

Окисление

Mn⁺⁷ +5e  Mn⁺² 2 окислитель

Восстановление

Перед атомами марганца в левой и правой части уравнения нужно поставить коэффициент 2. В этом действии можно не сомневаться, так как марганец в левой и правой части встречается только по одному разу.

2KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂SO₄  2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

С серой возникает вопрос: к какому из атомов серы относится коэффициент 5? К тому, степень окисления которого в уравнении встречается единожды, то есть +4. Ставим коэффициент 5 перед K₂SO₃.

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

Дальше сравниваем левую и правую часть схемы и достраиваем коэффициенты в таком порядке: калий ( в левой части 10+2=12, перед K₂SO₄ поставим 6)

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

Теперь в правой части поставлены коэффициенты перед серой, число её атомов 8. В левой части уже есть коэффициент перед серой 5, не хватает еще 3.

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

Сравниваем число атомов водорода. Ставим перед водой 3.

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

Осталось сравнить число атомов кислорода в левой и правой части уравнения. 35 и 35.

Случаи, когда индекс при химическом элементе вносится в электронный баланс.

Если формула простого вещества записывается с индексом:

NH₃ +O₂  NO + H₂O

N^-3 – 5e  N⁺² 4 восстановитель

Окисление

O₂⁰ +4e  2O^-2 5 окислитель

Восстановление

5 ставим перед простым веществом – кислородом, 4 – перед азотом в левой и правой части уравнения, уравниваем водород, проверяем кислород.

4NH₃ +5O₂ = 4NO + 6H₂O

2)Если в молекуле атомы одного элемента соединены между собой (то есть присутствует ковалентная неполярная связь): пероксиды, дисульфиды, тиосульфат, веселящий газ, органические вещества: Cr(OH)₃ + H₂O₂ + KOH  K₂CrO₄ + H₂O

Cr⁺³ – 3e  Cr⁺⁶ 2 восстановитель

Окисление

2O^-1 +2e  2O^-2 3 окислитель

Восстановление

3 ставим перед пероксидом водорода, 2 – перед хромом в левой и правой части уравнения, уравниваем калий, потом - водород, проверяем кислород.

2Cr(OH)₃ + 3H₂O₂ + 4KOH = 2 K₂CrO₄ + 8H₂O

Если у элемента усредненная степень окисления получается нецелым числом (железная окалина, надпероксиды, озониды, орган/ вещества):Fe₃O₄ + H₂SO₄ (конц)Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O

3Fe^+8/3 – 1e  3Fe⁺³ 2 восстановитель

(3∙ 8/3 = 8)(3∙3 = 9)

Окисление

S⁺⁶ +2e  S⁺⁴ 1 окислитель

Восстановление

2 ставим перед железной окалиной, тогда перед сульфатом железа – 3, перед сернистым газом коэффициента не будет, тогда справа 10 атомов серы, 10 ставим перед серной кислотой, уравниваем водород (перед водой – 10), сравниваем кислород

2Fe₃O₄ + 10H₂SO₄ (конц)=3Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 10 H₂O

Если у одного элемента в левой и правой части уравнения есть одинаковый индекс: K₂Cr₂O₇ + K₂SO₃ + H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

S⁺⁴– 2e  S⁺⁶ 6 3 восстановитель

Окисление

2Cr⁺⁶ +6e  2Cr⁺³ 2 1 окислитель

Восстановление

Перед сульфитом ставим 3, перед хромом в левой и правой части коэффициент не нужен, уравниваем калий (в правой части перед сульфатом калия ставим 4), затем – серу (в левой части перед серной кислотой – 4), водород – перед водой 4, проверяем кислород. K₂Cr₂O₇ + 3K₂SO₃ + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 4H₂O

Если без удвоения не уравнивается, хотя индекс у элемента есть только в одной из частей уравнения.NO₂ + P₂O₃ + KOH → NO + K₂HPO₄+ H₂O

P⁺³– 2e  P⁺⁵ 2 1 восстановитель

Окисление

N⁺⁴ +2e  N⁺² 2 1 окислитель

Восстановление

Перед азотом и фосфором коэффициенты не нужны, но чтобы уравнять фосфор перед гидрофосфатом калия поставим 2, тогда перед гидроксидом калия – 4, водорода в левой и правой части уравнения становится по 4, а кислород при этом не уравнивается (в левой части 9, в правой – 10): NO₂ + P₂O₃ + 4KOH → NO + 2K₂HPO₄+ H₂O

Удвоим фосфор в электронном балансе:

2P⁺³– 4e  2P⁺⁵ 2 1 восстановитель

Окисление

N⁺⁴ +2e  N⁺² 4 2 окислитель

Восстановление

Тогда перед азотом в левой и правой части уравнения ставим 2, чтобы уравнять фосфор перед гидрофосфатом калия поставим 2, тогда перед гидроксидом калия – 4, водорода в левой и правой части уравнения становится по 4, а кислород при этом уравнивается (в левой и правой части по 11): 2NO₂ + P₂O₃ + 4KOH = 2NO + 2K₂HPO₄+ H₂O

Расстановка коэффициентов методом электронного баланса, если в уравнении более 2 элементов меняют степени окисления.

Рассмотрим пример: As₂S₃ + HNO₃  H₃AsO₄ + SO₂ + NO₂ + H₂O

В этом уравнении 2 восстановителя (мышьяк и сера) в составе одного вещества, поэтому в электронном балансе обязательно учитываются индексы из формулы исходного вещества, отданные восстановителями электроны суммируются:

2As ⁺³ –4 e 2As⁺⁵

3S^–2 – 18e  3S⁺⁴ 22 e 1 восстановители

Окисление

N⁺⁵ +1e  N⁺⁴ 22 окислитель

Восстановление

Перед азотом в левой и правой части уравнения ставим 22, перед мышьяковой кислотой – 2, перед сернистым газом – 3, уравниваем водород и проверяем правильность расстановки коэффициентов по кислороду.

As₂S₃ + 22HNO₃ = 2H₃AsO₄ + 3SO₂ + 22NO₂ + 8H₂O

Можно использовать и такую запись поведения восстановителя:

As₂S₃ – 22e  2As⁺⁵ + 3S⁺⁴

Слева записано электронейтральное вещество, справа считаем сумму зарядов.

Вещества нестехиометрического состава, в которых определить степень окисления элементов затруднительно. Например, цементит Fe₃C. Fe₃C + HNO₃  Fe(NO₃)₃ + CO₂ + NO₂ + H₂O

Чтобы не выяснять, какие в этом веществе степени окисления у элементов, воспользуемся выше приведенным приёмом:

Fe₃C – 13e  3Fe⁺³ + C⁺⁴ 1

окисление

N⁺⁵ +1e  N⁺⁴ 13

восстановление

Коэффициент 13 ставим перед оксидом азота, перед нитратом железа – 3, перед цементитом и углекислым газом коэффициенты не нужны. Пересчитываем азот в правой части (22), ставим 22 перед формулой азотной кислоты, уравниваем водород, проводим проверку по кислороду:

Fe₃C + 22HNO₃  3Fe(NO₃)₃ + CO₂ + 13NO₂ + 11H₂O

В случаях, когда 2 восстановителя находятся в составе одного вещества, элементам можно присваивать даже нереальные степени окисления, при этом будут получаться те же коэффициенты. Например, предположим, что углерод в цементите имеет степень окисления – 4, тогда степень окисления железа +4/3. Составим баланс с этими значениями:

3Fe ^+4/3 –5 e 3Fe⁺³

C^–4 – 8e  C^{+4 13 e}

Можно присвоить элементам такие степени окисления, чтобы степень окисления изменялась только у одного элемента. Пусть степень окисления железа +3 в исходном веществе и продукте, тогда степень окисления углерода в цементите – 9 (такого не бывает, но в данном случае мы весьма формально используем степень окисления).

C^–9 – 13e  C⁺⁴

Опять восстановитель отдал 13 электронов.

ЗАДАНИЕ 2. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в следующих схемах реакций:

1) Na + HNO₃  NaNO₃ + N₂O + H₂O

2) K₂FeO₄ + H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O + O₂

3) H₂O₂ + KMnO₄ + HNO₃  Mn(NO₃)₂ + KNO₃ + H₂O + O₂

4) Ti₂(SO₄)₃ + KClO₃ + H₂O  TiOSO₄ + KCl + H₂SO₄

5) Mn₃O₄ + KClO₃ + K₂CO₃  K₂MnO₄ + KCl + CO₂

6) Na₂S₄O₆ + KMnO₄ + HNO₃ Na₂SO₄ + H₂SO₄ + Mn(NO₃)₂ + KNO₃ + H₂O

7) Cu₂S + O₂ + CaCO₃  CuO + CaSO₃ + CO₂

8) FeCl₂ + KMnO₄ + HCl  FeCl₃ + Cl₂ + MnCl₂ + KCl + H₂O

9) CuFeS₂ + HNO₃ Cu(NO₃)₂ + Fe(NO₃)₃ + H₂SO₄ + NO + H₂O

10)KSCN + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + CO₂+ NO₂ + SO₂ + H₂O