Метод электронного баланса. Уравнения ОВР часто имеют сложный характер, их составление, в частности, расстановка стехиометрических коэффициентов, представляет собой при этом трудную задачу. Одним из методов решения этой задачи является метод электронного баланса.
Рассмотрим этот метод на примере восстановления перманганата калия концентрированной соляной кислотой. Эта реакция используется в качестве лабораторного метода получения хлора.
Метод электронного баланса складывается из следующих этапов:
а) записывают схему реакции (формулы реагентов и продуктов), а затем находят элементы, которые повышают и понижают свои степени окисления, и выписывают их отдельно:
MnCO3 + KClO3 → MnO2 + KCl + CO2
ClV → Cl−I
MnII → MnIV
б) составляют уравнения полуреакций восстановления и окисления, соблюдая законы сохранения числа атомов и заряда в каждой полуреакции:
полуреакция восстановления ClV + 6e− = Cl−I
полуреакция окисления MnII − 2e− = MnIV
в) подбирают дополнительные множители для уравнения полуреакций так, чтобы закон сохранения заряда выполнялся для реакции в целом, для чего число принятых электронов в полуреакциях восстановления делают равным числу отданных электронов в полуреакции окисления:
ClV + 6e− = Cl−I * 1
MnII − 2e− = MnIV * 3
г) проставляют (по найденным множителям) стехиометрические коэффициенты в схему реакции (коэффициент 1 опускается):
3MnCO3 + KClO3 = 3MnO2 + KCl + CO2
д) уравнивают числа атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления при протекании реакции (если таких элементов два, то достаточно уравнять число атомов одного из них, а по второму провести проверку). Получают уравнение химической реакции:
3MnCO3 + KClO3 = 3MnO2 + KCl + 3CO2
е) проводят проверку по элементу, который не менял свою степень окисления (чаще всего это кислород):
слева 9 + 3 = 12 атомов O
справа 6 + 6 = 12 атомов O
Подбор коэффициентов проведен правильно.
Рассмотрим метод полуреакций на примере. Пусть дана схема реакции:
KMnO4+ HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O
Метод полуреакций использует не условные степени окисления атомов, а реально существующие окислители и восстановители в виде частиц, в состав которых входят элементы, изменяющие свои степени окисления в ходе реакции. В методе полуреакций составляют ионные уравнения для восстановления окислителя и окисления восстановителя с последующим суммированием полученных полуреакций в общее ионное уравнение. Следует учитывать, что каждая окислительно-восстановительная реакция может быть использована для получения электрического тока, если ее проводить в гальваническом элементе. В любой окислительно-восcтановительной реакции и для окислителя и для восстановителя существуют окисленные - Ox- и восстановленные - Red-формы. Основными признаками Ox-формы являются:
1. большее число атомов кислорода
2. меньшее число атомов водорода
3. больший (в алгебраическом смысле) заряд.
Например, из двух ионов NO3- и NO2 Ox-формой будет NO3- , т.к. этот ион содержит большее число атомов кислорода (соответственно Red-формой будет NO2 ); из NH3 и N2 Ox-формой является N2, т.к. в нем меньше водорода; из Fe и Fe2+ Ox-форма - Fe2+ т.к. имеет больший заряд.
KMnO4+ HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O
Учитывая правила записи ионных уравнений запишем ионы и молекулы в левой и правой частях схемы (число ионов, обусловленное стехиометрией диссоциации электролита, не учитываем):
Левая часть Правая часть
K+, MnО4-, H+, Cl - K+, Cl-, Mn2+, Cl2, H2O
Обратим внимание на следующие изменения: MnО4- превратился Mn2+, Cl- в Cl2. Запишем схемы превращений:
Определим окисленные и восстановленные формы: для первой схемы Ох-форма MnО4-, а Mn2+ Red-форма; для второй схемы Ox-форма Cl2, Red-форма - Cl-: