Метод ионно-электронных схем

В чём различие?

В методе электронного баланса нам необходимо считать степени окисления элементов-окислителей и элементов-восстановителей. 

Метод же электронно-ионных схем построен на составлении полуреакций, т.е. уравнений, отражающих взаимный переход частиц, которые есть в растворе или расплаве.

В случае электронного баланса мы бы составили такую запись:

Cu + HNO₃ → Cu²⁺ + NO

Cu⁰ → Cu²⁺

N⁵⁺ → N²⁺

А можно в виде электронно-ионных схем. В любой окислительно-восстановительной реакции есть две полуреакции: полуреакция окисления и полуреакция восстановления. 

В этом случае запись такая, ведь в растворе не плавает Mn⁺⁷, там плавает ион MnO₄^—: 

KMnO₄ + Na₂SO₃ → Mn²⁺ + SO₄^2-

MnO₄^— → Mn²⁺

SO₃^2- → SO₄^2-

Сумма этих полуреакций и является самой окислительно-восстановительной реакцией.

Метод электронно-ионных схем применяется, как правило, когда образуется 2 и более продукта. 

Преимущества метода:

• не нужно определять степень окисления элементов
• рассматриваются конкретные ионы и вещества, которые и являются продуктами реакции
• легко уравнять практически любую окислительно-восстановительную реакцию
• даёт сведения не только о числе электронов, участвующих в каждой полуреакции, но и о том, как изменяется среда раствора

Ограничение: метод применим только для водных растворов и расплавов!

В методе полуреакций мы рассматриваем реально существующие в растворе ионы, значит, важна роль среды раствора.

Например: MnO₄^— → Mn²⁺    (Н⁺)

MnO₄^—  → MnO₄^2-  (ОН^—)

MnO₄^— → MnO₂ ↓ (H₂O)

Такие полуреакции будем уравнивать с помощью протонов, гидроксид-ионов и молекул воды.

Прежде чем переходить к практике, важно вспомнить основные понятия, связанные с ОВР, а также типы окислительно-восстановительных реакций. С этой темой можно познакомиться в этой статье.

---

Как же правильно составить полуреакцию? Запоминаем основные принципы уравнивания ОВР данным методом:

• Число электронов, отданных восстановителем = числу электронов, принятых окислителем;
• Вещества в полуреакциях записываются в том виде, в котором они реально существуют в растворе. Это значит, что сильные, хорошо растворимые электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, неэлектролиты и нерастворимые вещества — в молекулярной форме;
• Повторим: метод применим исключительно для водных растворов. Атомы кислорода и водорода уравниваются с учётом среды, в которой протекает реакция;

---

А какие существуют правила для уравнивания реакций в разных средах?

Кислая: Н₂О, Н⁺

Сначала уравнивают атомы кислорода. Для этого в ту часть полуреакции, где их не хватает, нужно поставить соответствующее число молекул воды, а затем уравнять число атомов водорода с помощью протонов.

Щелочная: Н₂О, ОН^—

Сначала уравнивают атомы кислорода. Для этого в ту часть полуреакции, где их дефицит, нужно поставить гидроксид-ионы в удвоенном количестве по сравнению с дефицитом. Затем уравнивают атомы водорода с помощью молекул воды.

Нейтральная:

H₂O, C_H⁺=C_OH^—

H₂O = H⁺ + OH^—

2H₂O = H₃O⁺ + OH^—

В нейтральной среде можно уравнивать двумя способами: и как в кислой среде, и как в щелочной. Но если выбран какой-либо из вариантов, нужно строго ему следовать.

Так как в общем случае проще уравнивать кислую среду, рекомендуем использовать именно этот вариант и помним, что в результате протекания ОВР всегда изменяется рН.

Переходим к практике. Рассмотрим примеры ОВР
в каждой из сред:

Кислая среда 

Пример 1. KMnO₄ + P + H₂SO₄ → Mn²⁺ + H₃PO₄

Составляем уравнения двух полуреакций:

MnO₄^— → Mn²⁺                  

P⁰ → H₃PO₄

Уравниваем число всех атомов марганца и фосфора, затем – атомы кислорода с использованием молекул воды и атомы водорода с использованием протонов:

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O 

P⁰ + 4H₂O — 5e^— → H₃PO₄ + 5H⁺               

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O  1

P⁰ + 4H₂O — 5e^— → H₃PO₄ + 5H⁺ 1

Суммируем полуреакции:

MnO₄^— + 8H⁺ + P + 4H₂O → Mn²⁺ + 4H₂O + H₃PO₄ + 5H⁺

Сокращаем воду и Н⁺, для удобства умножаем обе части уравнения на 2:

2MnO₄^— + 6H⁺ + 2P → 2Mn²⁺ + 2H₃PO₄

Помним, что у нас остались катионы К⁺, а также сульфат-ионы SO₄^2-, которые не участвовали в процессе окисления восстановления. Добавляем их в обе части уравнения в одинаковом количестве и записываем уравнение в молекулярной форме:

2KMnO₄ + 2P + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 2H₃PO₄ + K₂SO₄

---

Пример 2. K₂Cr₂O₇ + FeCl₂ + H₂SO₄ → Cr³⁺ + Fe³⁺

Составляем уравнения двух полуреакций:

Cr₂O₇^2- → 2Cr³⁺

Fe²⁺ → Fe³⁺

Уравниваем число всех атомов хрома и железа, затем – атомы кислорода с использованием молекул воды и атомы водорода с использованием протонов:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^— → 2Cr³⁺ + 7H₂O    

Fe²⁺ — 1e^— → Fe³⁺                                       

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^— → 2Cr³⁺ + 7H₂O     1

Fe²⁺ — 1e^— → Fe³⁺                                        6

Суммируем полуреакции:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6Fe²⁺ → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 6Fe³⁺

Помним про оставшиеся ионы, которые не участвовали в процессе окисления восстановления. Добавляем их в обе части уравнения в одинаковом количестве и записываем уравнение в молекулярной форме:

K₂Cr₂O₇ + 6FeCl₂ + 7H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + 4FeCl₃ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 7H₂O

---

Пример 3. KMnO₄ + H₂O_{2 (вод. р-р)} + H₂SO₄ → Mn²⁺ + O₂ ↑

Составляем уравнения двух полуреакций:

MnO₄^— → Mn²⁺

H₂O₂ → O₂

Уравниваем число всех атомов марганца, затем – атомы кислорода с использованием молекул воды и атомы водорода с использованием протонов:

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O       

H₂O₂ — 2e^— → O₂ + 2H⁺                             

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O        2

H₂O₂ — 2e^— → O₂ + 2H⁺                              5

Суммируем полуреакции:

2MnO₄^— + 16H⁺ + 5H₂O₂ → 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5O₂ + 10H⁺

Сокращаем протоны в левой и правой части:

2MnO₄^— + 6H⁺ + 5H₂O₂ → 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5O₂ 

Добавляем оставшиеся ионы и записываем уравнение в молекулярной форме:

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5O₂ + K₂SO₄ + 8H₂O

---

Щелочная среда

Пример. KMnO₄ + FeSO₄ + KOH → MnO₄^2- + Fe(OH)₃ ↓

Составляем уравнения двух полуреакций:

MnO₄^— → MnO₄^2-

Fe²⁺ → Fe(OH)₃          

Уравниваем число всех атомов марганца и железа, затем – атомы кислорода с помощью гидроксид-ионов:

MnO₄^— + 1e^— → MnO₄^2-          

Fe²⁺ + 3OH^— — 1e^— → Fe(OH)₃       

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 1e^— → MnO₄^2-           1

Fe²⁺ + 3OH^— — 1e^— → Fe(OH)₃        1

Суммируем полуреакции:

MnO₄^— + Fe²⁺ + 3OH^— → MnO₄^2- + Fe(OH)₃  

Это довольно простой пример, поэтому вновь учитываем не участвовавшие ионы и записываем уравнение в молекулярном виде:

KMnO₄ + FeSO₄ + 3KOH → K₂MnO₄ + K₂SO₄ + Fe(OH)₃

Кстати, щелочная среда считается самой сложной для уравнивания. Именно поэтому существуют дополнительные правила, которые помогают упростить задачу.

Случай 1. Если в состав веществ полуреакции кроме атомов О входят ОН-группы, то рекомендуется следующий алгоритм уравнивания:

— уравнять кислород по общим правилам щелочной среды, не обращая внимания на ОН-группы продукта

Cr₂O₇^2- + 7H₂O → 2[Cr(OH)₆]^3- + 14OH^—

— затем добавить недостающее число ОН-групп в виде ОН^— и сделать сокращение

Cr₂O₇^2- + 7H₂O + 12OH^— → 2[Cr(OH)₆]^3- + 14OH^—

Cr₂O₇^2- + 7H₂O → 2[Cr(OH)₆]^3- + 2OH^—                                                            

Случай 2. Если в состав веществ полуреакции кроме атомов О входят атомы Н, алгоритм следующий:

— уравнять начальные полуреакции как в кислой среде

PH₃ + 4H₂O → PO₄^3- + 11H⁺  

— перейти к щелочной: к обеим полуреакциям добавить столько ОН^—, сколько получилось протонов

PH₃ + 4H₂O + 11OH^— → PO₄^3- + 11H⁺ + 11OH^—

— записать молекулы воды и сделать сокращение

PH₃ + 4H₂O + 11OH^— → PO₄^3- + 11H₂O

PH₃ + 11OH^— → PO₄^3- + 7H₂O

---

Нейтральная среда

Пример. KMnO₄ + KNO₂ + H₂O → MnO₂ ↓ + NO₃^—

Составляем уравнения двух полуреакций: 

MnO₄^— → MnO₂   

NO₂^— → NO₃^—       

Уравниваем число всех атомов марганца и азота, затем – атомы кислорода с помощью правил для кислой среды:

MnO₄^— + 4H⁺ + 3e^— → MnO₂ + 2H₂O     

NO₂^— + H₂O — 2e^— → NO₃^— + 2H⁺               

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 4H⁺ + 3e^— → MnO₂ + 2H₂O      2

NO₂^— + H₂O — 2e^— → NO₃^— + 2H⁺                3

Суммируем полуреакции:

2MnO₄^— + 8H⁺ + 3NO₂^— + 3H₂O → 2MnO₂ + 4H₂O + 3NO₃^— + 6H⁺ + 2OH^—

Сокращаем протоны в левой и правой части, не обращая внимания на молекулы воды:

2MnO₄^— + 2H⁺ + 3NO₂^— + 3H₂O → 2MnO₂ + 4H₂O + 3NO₃^— 

Добавляем к обеим частям уравнения столько же ОН^–-групп, сколько добавили протонов, чтобы получить дополнительные молекулы Н₂О:

2MnO₄^— + 2H⁺ + 3NO₂^— + 3H₂O + 2OH^— → 2MnO₂ + 4H₂O + 3NO₃^— + 2OH^—

2MnO₄^— + 3NO₂^— + 3H₂O + 2Н₂О → 2MnO₂ + 4H₂O + 3NO₃^— + 2OH^—

Сокращаем молекулы воды и записываем итоговое уравнение в молекулярном виде:

2KMnO₄ + 3KNO₂ + H₂O → 2MnO₂ + 3KNO₃ + 2KOH

---

Отдельным блоком идут органические окислительно-восстановительные реакции. Они довольно объёмны и часто имеют очень большие стехиометрические коэффициенты.

В неорганической химии степень окисления – одно из основных понятий, в органической химии – нет. 

Здесь важна не степень окисления, а смещение электронной плотности, в результате которой на атомах появляются частичные заряды. Соответственно, в органических веществах степени окисления атома углерода могут иметь разные значения (от -3 до +4, включая дробные). 

Применение метода электронного баланса в данном случае очень часто приводит к ошибкам. Именно поэтому расставлять коэффициенты методом полуреакций в органических ОВР значительно удобнее (да-да, не нужно определять степень окисления углерода).

Что важно:

• органические ОВР идут, как правило, в кислой и нейтральной среде
• исходные вещества – слабые электролиты и неэлектролиты, соответственно, записываем в виде молекул
• запоминаем, во что переходит органика (можно почитать в нашем онлайн-учебнике в разделе «Органическая химия»)
• при записи полного уравнения указываем структурные формулы, а в полуреакциях можем использовать брутто-формулы для удобства подсчёта

Рассмотрим на примерах:

Пример 1. C₂H₅OH + KMnO₄ + H₂SO₄ → CH₃COOH + Mn²⁺

Составляем уравнения двух полуреакций:    

MnO₄^— → Mn²⁺      

C₂H₅OH → CH₃COOH

Уравниваем число всех атомов марганца и углерода, затем – атомы кислорода с использованием молекул воды и атомы водорода с использованием протонов:

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O               

C₂H₅OH + H₂O — 4e^— → CH₃COOH + 4H⁺

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 8H⁺ + 5e^— → Mn²⁺ + 4H₂O        4        

C₂H₅OH + H₂O — 4e^— → CH₃COOH + 4H⁺ 5

Суммируем полуреакции:

4MnO₄^— + 32H⁺ + 5C₂H₅OH + 5H₂O → 4Mn²⁺ + 16H₂O + 5CH₃COOH + 20H⁺

Сокращаем протоны и молекулы воды в левой и правой части:

4MnO₄^— + 12H⁺ + 5C₂H₅OH → 4Mn²⁺ + 11H₂O + 5CH₃COOH

Добавляем ионы, не участвующие в реакции окисления-восстановления, записываем итоговое уравнение в молекулярном виде:

5C₂H₅OH + 4KMnO₄ + 6H₂SO₄ → 5CH₃COOH + 4MnSO₄ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

---

Пример 2. CH₂=CH₂ + KMnO₄ + H₂O → CH₂(OH)-CH₂(OH) + MnO₂ ↓

Составляем уравнения двух полуреакций (для удобства записываем брутто-формулы):

MnO₄^— → MnO₂

C₂H₄ → C₂H₆O₂

Уравниваем число всех атомов марганца и углерода, затем – атомы кислорода с использованием молекул воды и атомы водорода с использованием протонов:

MnO₄^— + 4H⁺ + 3e^— → MnO₂ + 2H₂O      

C₂H₄ + 2H₂O — 2e^— → C₂H₆O₂ + 2H⁺        

Число участвующих электронов уравниваем путём подбора наименьшего кратного (при необходимости сокращаем полученные множители):

MnO₄^— + 4H⁺ + 3e^— → MnO₂ + 2H₂O       2

C₂H₄ + 2H₂O — 2e^— → C₂H₆O₂ + 2H⁺         3

Суммируем полуреакции:

2MnO₄^— + 8H⁺ + 3C₂H₄ + 6H₂O → 2MnO₂ + 4H₂O + 3C₂H₆O₂ + 6H⁺

Сокращаем протоны в левой и правой части, не обращая внимания на молекулы воды:

2MnO₄^— + 2H⁺ + 3C₂H₄ + 6H₂O → 2MnO₂ + 4H₂O + 3C₂H₆O₂ 

Среда нейтральная, значит, к обеим полуреакциям добавляем столько ОН^—-групп, сколько осталось протонов, чтобы получить дополнительные молекулы воды:

2MnO₄^— + 2H⁺ + 3C₂H₄ + 6H₂O + 2ОН^— → 2MnO₂ + 4H₂O + 3C₂H₆O₂ + 2ОН^—

2MnO₄^— + 3C₂H₄ + 6H₂O + 2H₂O → 2MnO₂ + 4H₂O + 3C₂H₆O₂ + 2ОН^—

Сокращаем молекулы воды, записываем итоговое уравнение в молекулярном виде:

3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂(OH)-CH₂(OH) + 2MnO₂ + 2KOH

---

Общие правила уравнивания полуреакций можно скачать тут.

Далее предлагаем пройти тест, чтобы закрепить полученные знания.

Загрузка…