Складання рівнянь окисно-відновних реакцій. Метод електронного балансу

Усі хімічні процеси, які відбуваються у природі, за зміною ступеня окиснення умовно поділяються на дві групи:

  • реакції невалентних перетворень;
  • окисно-відновні реакції.

Під час перебігу реакцій першої групи ступені окиснення атомів елементів, що входять до складу вихідних речовин не змінюються. Під час перебігу реакцій другої групи атоми елементів змінюють свій ступінь окиснення.

Для здійснення кількісних обрахунків за рівнянням хімічної реакції необхідно правильно розставити коефіцієнти перед речовинами.

Розглянемо реакції, які належать до двох груп:

MgO + H2SO4 → MgSO4 + H2O (1)

Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2S + H2O (2)

Реакція (1) належить до першої групи. Щоб перетворити дану схему на рівняння достатньо методом підбору розставити коефіцієнти. Для реакції (2) даний метод є недоречним, так як потребує багато часу. В цьому можете переконатись самостійно.

Однакова кількість атомів окремих елементів у лівій і правій частині рівняння є критерієм правильності його складання. Для окисно-відновних реакцій цього недостатньо. Розглянемо наступну реакцію:

K2Cr2O7 + H2O2 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + O2 + K2SO4 + H2O (3)

Якщо дану реакцію урівнювати методом підбору коефіцієнтів можна дуже легко помилитись, так як можливі різні комбінації. Наприклад:

K2Cr2O7 + H2O2 + 4H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 2O2 + K2SO4 + 5H2O (5)

K2Cr2O7 + 3H2O2 + 4H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3O2 + K2SO4 + 7H2O (6)

K2Cr2O7 + 5H2O2 + 4H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 4O2 + K2SO4 + 9H2O (7)

Можливі і інші варіанти. А яка з реакцій (5 – 7) є вірною?

Існує багато онлайн-сервісів, які дозволяють перетворити схеми реакцій на рівняння. Якщо їх використати, щоб урівняти схему (3) ми одержимо рівняння (5), яке відповідає закону збереження маси, але неправильне з точки зору механізму даного процесу.

У рівняннях окисно-відновних реакцій, окрім балансу атомів, необхідно дотримуватися ще й балансу електронів, які формально переміщуються від відновника до окисника. А тому схемі реакції (3) відповідає рівняння (6).

Для складання рівнянь окисно-відновних реакцій використовують спеціальні методи. Найбільше практичне значення мають метод електронного балансу та метод напівреакцій або йонно-молекулярний метод. В кожного з них є свої переваги та недоліки. В даній статті розглянемо перший метод.

Метод електронного балансу базується на тому, що кількість електронів, які переходять від відновника до окисника є однакова.

Алгоритм складання рівнянь окисно-відновних реакцій методом електронного балансу:

1. Записати схему реакції з усіма реагентами та продуктами без коефіцієнтів.
2. Визначити ступені окиснення всіх елементів у кожній сполуці.
3. Позначити елементи, які змінюють ступінь окиснення внаслідок перебігу реакції.
4. Скласти електронні схеми процесів окиснення та відновлення
5. Підібрати коефіцієнти в цих схемах так, щоб загальне число електронів, які формально віддає відновник, дорівнювало загальному числу електронів, які формально приєднує окисник.
6. Надати остаточного вигляду рівнянню реакції, добираючи коефіцієнти для решти учасників реакції.

Для прикладу складемо рівняння наступної реакції:

MnO2 + KClO3 + KOH → K2MnO4 + KCl + H2O (8)

1. Визначаємо ступені окиснення:

Mn(+4)O2(–2) + K(+1)Cl(+5)O3(–2) + K(+1)O(–2)H(+1) → K2(+1)Mn(+6)O4(–2) + K(+1)Cl(–1) + H2(+1)O(–2)

2. Змінюють ступені окиснення Mn та Cl. Складаємо електронні схеми процесів окиснення та відновлення:

Mn(+4) – 2e→ Mn(+6) | відновник, процес окиснення

Cl(+5) + 6e → Cl(–1) | окисник, процес відновлення

3. Складаємо баланс електронів. Один атом Mn віддає два електрони, а один атом Cl приєднує 6 електронів. Щоб кількість електронів, які віддає відновник дорівнювала кількості електронів, які приєднує окисник домножимо електронну схему окиснення на 3:

3Mn(+4) – 6e→ 3Mn(+6)

Cl(+5) + 6e → Cl(–1)

4. Коефіцієнти, які стоять в електронних схемах біля окисника та відновника переносимо у молекулярне рівняння. Таким чином урівнюємо речовини в яких елементи змінюють ступені окиснення:

3MnO2 + KClO3 + KOH → 3K2MnO4 + KCl + H2O

5. Розставляємо коефіцієнти біля інших речовин методом підбору. Рекомендую урівнювати кількість атомів елементів в наступному порядку: металічні елементи → неметалічні елементи → Гідроген → Оксиген. За Оксигеном перевіряємо правильність складання рівняння реакції:

3MnO2 + KClO3 + 6KOH = 3K2MnO4 + KCl + 3H2O

Даний алгоритм розглядається практично в усіх навчальних посібниках. Однак, намагаючись скласти рівняння, навіть, найпростішої реакції горіння водню в нас можуть виникнути проблеми. Давайте в цьому переконаємось.

H2 + O2 → H2O (9)

1. Визначаємо ступені окиснення:

H2(0) + O2(0) → H2(+1)O(–2)

2. Складаємо електронні схеми процесів:

H(0) – e→ H(+1) | відновник, процес окиснення

O(0) + 2e → O(–2) | окисник, процес відновлення

3. Складаємо електронний баланс:

2H(0) – 2e→ 2H(+1)

O(0) + 2e → O(–2)

4. При спробі перенести коефіцієнти в нас не вийде скласти рівняння реакції, так як в схемі електронного процесу відновлення є один атом Оксигену, а в молекулярному рівнянні молекула кисню складається з двох атомів Оксигену. В такому випадку необхідно або записувати дробові коефіцієнти при складанні рівняння реакції:

H2 + 0,5O2 → H2O

або в схему електронного процесу вписувати ту кількість атомів, яка міститься в молекулі:

2H(0) – 2e→ 2H(+1) | відновник, процес окиснення

2O(0) + 4e → 2O(–2) | окисник, процес відновлення

Другий випадок кращий, так як дозволяє відразу поставити відповідні коефіцієнти. Складаємо електронний баланс

4H(0) – 4e→ 4H(+1)

2O(0) + 4e → 2O(–2)

5. Складаємо рівняння реакції:

2H2 + O2 = 2H2O

Варто відзначити, що для простих речовин прийнято в схемі електронного процесу записувати їхні молекули. Для реакції горіння водню дані процеси будуть мати наступний вигляд:

H2(0) – 2e→ 2H(+1) | відновник, процес окиснення

O2(0) + 4e → 2O(–2) | окисник, процес відновлення

А електронний баланс:

2H2 (0) – 4e→ 4H(+1)

O2 (0) + 4e → 2O(–2)

Крім того, існує ще ряд додаткових правил, яких слід дотримуватись при складанні рівнянь даним методом. Це стосується процесів дисмутації та конмутації, внутрішньомолекулярних окисно-відновних реакцій, реакцій за участю органічних речовин, реакцій в яких речовина містить декілька відновників та декілька окисників, а також реакцій в яких частина молекул речовини бере участь в окисно-відновних процесах, а частина в реакціях йонного-обміну. Особливості складання рівнянь даних реакцій я опишу в наступних публікаціях.

Метод електронного балансу найкраще підходить для реакцій, які відбуваються між газами та твердими тілами.

Переваги методу електронного балансу:

1. Зручно використовувати для найпростіших ОВР.

2. Порівняно з іншими методами є швидкий.

Недоліки методу електронного балансу:

1. Найбільшим недоліком даного методу є те, що він використовується лише для добору коефіцієнтів для схеми в якій відомі всі реагенти та продукти реакції. Якщо невідомі реагенти або продукти то найкраще використовувати метод йонно-молекулярних реакцій.

2. Даний метод незручно використовувати для ОВР в органічній хімії. Обмежене використання має в реакціях з кількома відновниками та окисниками та в деяких інших випадках.

Додати коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *