Файл: Рахманкулов, Д. Л. Окислительно-восстановительные реакции [учебное пособие].pdf

б) определяются окислительные числа элементов до и после реакции. Величина окислительных чисел записывается

г) находят восстановитель и окислитель, рассуждая та­ ким образом: ион брома, имевший окислительное число 1+ перешел в нейтральный атом (приобрел окислительное чис­ ло, равное нулю). Следовательно, ион брома потерял один электрон и является восстановителем, при этом Вг~окислился. Окислительное число серы понизилось с 6+ до 4+, значит

е) поскольку количество отданных электронов восстано вителем и приобретенных окислителем должно быть одина­ ковым, то подбираются множители для окислителя и восста­ новителя с тем расчетом, чтобы соблюдалось это равенство. Для этого справа проводят вертикальную черту, пишут за ней соответствующие множители:

Из баланса вытекает вывод, что на каждый атом серы должно приходиться два иона Вг~ . Следовательно, с одной молекулой H2SO4 реагируют две молекулы НВг. Эти цифры проставляются перед соответствующими молекулами как ко­ эффициенты:

2HBr+bbS04-------Br2+ S 0 2+2H20

з) далее, сравнивая левую и правую части схемы реак ции, замечаем, что в левой части рассматриваемого примера имеется 4 атома водорода и 2 атома кислорода, которых нет

50

в правой части схемы. Очевидно, что в результате реакций образуются еще 2 молекулы воды;

и) составляется уравнение реакции в окончательном ви­ де. Стрелку можно заменить на знак равенства

2HBr+H2S 04 -B r2+SCh+2H20 ;

к) проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атома кислорода в обеих частях уравнения.

Рассмотренный выше пример относится к числу простей­ ших. При определении же коэффициентов ОВР, которые ха­ рактеризуются наличием молекул кислот, оснований или во­ ды в левой части уравнения (см. гл. 1, § 3) ,задача услож­ няется необходимостью коэффициента перед молекулами упо­ мянутых веществ.

Рассмотрим пример подбора коэффициентов для следую­ щей ОВР, протекающей с участием молекулы кислоты.

(процесс окисления)

Задача решается аналогично предыдущей до пункта «з». Далее уравниваются числа атомов тех элементов, которые имеют постоянное окислительное число. Это касается щелоч­ ных и щелочноземельных металлов. В данной реакции число ионов калия в левой части реакции равно числу ионов калия в правой части реакции, поэтому дополнительные коэффици­ енты не вводятся.

Затем подсчитываем коэффициент перед формулой кис­ лоты. * Для этого подсчитывают число кислотных остатков в правой части уравнения (в данном примере три) и вычитают из него число таких же кислотных остатков, содержащихся в восстановителе или окислителе (в данном случае кислота не

* В кислой среде все ионы металлов с зарядностью от 1 до 3 соеди­ няются с кислотными остатками с образованием солей.

играет роли ни окислителя, ни восстановителя, поэтому оно равно нулю), и по разности 3—0=3 находят коэффициент для молекулы кислоты.

Перед кислотой ставится коэффициент три. В последую­ щем определяют число молекул образовавшейся воды. Для этого подсчитывается число атомов водорода в левой части уравнения, в данной реакции их 16, отсюда следует, что обра­ зуется 8 молекул воды (на образование воды пошел кисло­ род, освободившийся при разложении КМп04). Наконец, ста­ вится коэффициент 8 перед водой и стрелка заменяется зна­ ком равенства. •

5H2S+2KMn04+3H2S04 = 5S+MnS04+K2S04+8H20

Проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атомов кислорода в обеих частях уравнения.

Рассмотрим другой пример, когда в левой части уравне­ ния имеется молекула основания **.

В «щелочной среде» подбор коэффициентов осуществляет­ ся так же, как это делалось выше, до пункта «з».

NaCr‘,0 V T Bi-Д NaOH -N a A T + N a B r ^ H jO С Д -За= С г-6" i 2

Br2+ 2 e *2 B r | 5

2NaCc02 - 3 B r^ N a O H -2 N .M ^ N a B r -■H 20

Затем коэффициент перед молекулой основания находят как разницу между числом ионов металла (в данном случае ио­ нов Na +), входящих в состав молекулы щелочи, и числом тех же ионов (если таковые имеются), входящих в состав моле­ кул восстановителя и окислителя. В данном примере этот ко­ эффициент равен Ю—2=8. Перед молекулой щелочи ставит­ ся найденный коэффициент. По числу атомов водорода в ле­

** В «щелочной среде» все образующиеся кислотные остатки (отрица­ тельные ионы) соединяются с положительными ионами металлов с обра­ зованием солей.

52

вой части уравнения находят коэффициент перед молекулой воды. В данном примере он равен 4. Все найденные коэффи­ циенты расставляются, и стрелка заменяется знаком равен­ ства.

2NaCr02+3Br2+8Na0H==2Na2Cr04+6NaBr+4Ha0

Проверяется правильность составленного уравнения путем подсчета атомов кислорода в обеих частях уравнения.

§ 2. Ионно-электронный метод нахождения коэффициентов ОВР

С помощью метода электронного баланса ие удается уравнять многие ОВР. Он неудобен для подсчета окислитель­ ного числа элементов в перекисных, органических, полисульфидных соединениях, в полииодидах, некоторых комплекс­ ных веществах и т. д., написание структурных формул которых вызывает значительные затруднения.

Более универсальным способом подбора коэффициентов в ОВР является электронно-ионный способ.

Коэффициенты электронно-ионных уравнений подбира­ ются по изменению зарядиости простых или сложных ионов, а также рассматриваются ионы, претерпевшие изменения, не связанные с изменением зарядиости.

А. Определение коэффициентов ОВР, протекающих в присут­ ствии молекул кислоты в левой части схемы

Порядок определения коэффициентов таких реакций ил­ люстрируется ниже на примере, когда происходит восстанов­ ление перманганата калия в присутствии серной кислоты.

Задача решается поэтапно:

1.Записывается схема реакции в молекулярной форме:

2.Записывается схема реакции в ионном виде. При этом надо учесть, что слабые электролиты незначительно диссо­

53

циируют на ионы. Поэтому принято формулы их писать лишь

вмолекулярной форме. *

3.Записывается схема реакции в сокращенном ионном

виде

W\n0>C20 f ^ + - М |Г + С02+ Н20

4. Выделяются ионы, которые изменились но зарядности или составу.

В данной реакции претерпели изменение ионы М п04 ~и

ион С20 42~.

6.Составляется качественный и количественный баланс для элементов, а также баланс по зарядам ионов для уравне­ ний а) и б). Качественный баланс предусматривает, чтобы в правой и левой частях уравнений а) и б) были одни и те же элементы.

Количественный баланс требует равенства числа атомов каждого элемента в правой и левой частях.

7.Качественный и количественный баланс обеспечивают­ ся разными способами.

*К слабым электролитам относятся: оксиды, гидроксиды и сульфиды

54

Так, в рассматриваемом примере:

В кислой среде в левую часть уравнения вводят нужное число ионов водорода, а в правой появляется соответствующее чис­ ло молекул воды (в два раза меньше, чем число ионов водо­ рода).

Для уравнения б) качественный и количественный баланс обеспечивается одним коэффициентом в правой части, рав­ ным двум.

Баланс по зарядам ионов осуществляется путем прибав­ ления или отнятия нужного числа электронов в правой части уравнения.

В данном примере:

Таким образом, видно, что окислителем является Мп04~ (принимает 5 электронов), а восстановителем С2042~(отдает два электрона).

8.Поскольку в электронном балансе количество отданных электронов восстановителем и приобретенных окислителем должно быть одинаковым, то следует найти наименьшее общее кратное для чисел 2 и 5. Оно равно 10. Отсюда для мо­ лекул и ионов верхней строчки вводится множитель 2, а в нижней строчке баланса — множитель 5.

9.С учетом всех множителей складываются отдельно

левые и правые части электронно-ионного баланса.

55

2NinO;-1ЫГ+5СгоГ=2(Л2++ад+

Множители перед ионами и молекулами в суммарном урав­ нении и есть коэффициенты перед соответствующими моле­ кулами и ионами в молекулярном уравнении

2KMn04+5H2C20 4+3H2S0 4 = 2MnS04+K»S04+10СО2+8Н2О

В рассмотренном примере недостаток кислорода наблюдал­ ся в правой части схемы (уравнение а). Однако могут быть и такие ОВР, когда в схеме баланса в правой части может быть избыток атомов кислорода. В таких случаях для обес­ печения баланса целесообразно в правой части уравнения ввести нужное число ионов водорода (в кислой среде). Тог­ да в левой части появляется соответствующее число молекул воды.

Рассмотрим подробнее эти случаи.

Б. Определение коэффициентов ОВР, протекающих в присутствии молекул основания в левой части схемы

Целый ряд ОВР протекает в условиях, когда в левой ча­ сти уравнения имеются молекулы основания. Например:

МаСг02 +• Br2 + Na0H-"Na2Cr04+NaBr+ H20.. И

При этих условиях порядок нахождения коэффициентов та­ кой же, что и описанный выше, разница лишь в том, что если исходные соединения суммарно содержат меньшее количест-. во атомов кислорода, чем образующиеся соединения, то не­ достающее количество их в «щелочной среде» пополняется за счет ионов ОН- , а в противоположной части схемы будет об­ разовываться вода.

56

Подберем коэффициенты в написанной выше ОВР. Ме­ тодика подбора до пункта «е» та же, что и в случае, когда присутствуют молекулы кислоты.

Отсюда схема баланса будет такова:

Поскольку количественного и качественного баланса нет, то в нижней строчке правой части схемы для соблюдения ба­ ланса перед ионами Вг~ставится коэффициент 2. В верхней строчке схемы нет качественного баланса, не хватает двух атомов кислорода в левой части схемы.

Если наблюдается недостаток атомов кислорода в левой части и ОВР протекает в присутствии основания, то в эту часть схемы вводится удвоенное число групп ОН ~на каждый недостающий атом кислорода, а в правую часть записывает­ ся соответствующее число молекул НгО. В левой части схемы рассматриваемого примера 2 атома кислорода, а в правой—4 атома кислорода. Поэтому влево вводится 4 группы ОН а в правой части схемы окажется 2 молекулы воды:

Сг0 2_ - + 4 0 Н ----- Сг0 4М-2Н20

Далее в верхней и нижней строчке схемы уравниваются заряды, как указывалось выше (§2, А пункт 7). После этого ставится знак равенева между левыми и правыми частями схемы:

Затем последовательно находятся множители для верх­ ней и нижней строчки баланса. В нашем примере для верх­ ней строчки вводится множитель 2, а для нижней строчки— множитель 3.

Сучетом этих множителей складываются отдельно левые

иправые части электронно-ионного баланса:

57

2сг0г+ш'+звг2=2 СгоГ+/*н2о-б&г"

Множители перед ионами и молекулами в суммарном урав­ нении есть коэффициенты перед соответствующими ионами и молекулами в молекулярном уравнении.

2NaCrO.+8NaOH+3Br22Na2C r04-b6NaBr+4H20

В рассмотренном примере недостаток атомов кислорода на­ блюдался в левой части схемы, но могут быть такие ОВР, ког­ да в схеме недостаток атомов кислорода будет в правой ча­ сти. В этом случае недостающее число атомов кислорода бу­ дет компенсироваться удвоенным числом группы ОН пра­ вой части схемы, а в левую часть вводится соответствующее количество молекул воды.

К М * NiSS0 j*H ,0 -M n0 ,*NaД +2 К0 Н И

В. Определение коэффициентов ОВР, протекающих в присутствии молекул воды в левой части схемы

ОВР могут протекать и в присутствии молекул воды сре­ ди исходных реагентов. Способ подбора коэффициентов будет зависеть от того, что образуется в правой части уравнения. Если в полученных продуктах есть кислота, то коэффициент подбирается так, как описано выше (§ 3, А); если же в ре­ зультате реакции образуется основание, то уравнивание про­ изводится по способу, описанному в части Б настоящего па­ раграфа. Например:

MnSHNH*lM+М ~

58