16_Sostavlenie_OVR
.pdfЛЕКЦИЯ 16 СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
ПЛАН ЛЕКЦИИ
Нахождение коэффициентов в уравнениях окислительно-
восстановительных реакций методом электронного баланса.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионного баланса.
Составление уравнений реакций, протекающих в кислой среде. Составление уравнений реакций, протекающих в щелочной среде.
Составление уравнений реакций, протекающих в нейтральной среде.
Составление уравнений реакций с незаданной средой.
В основе всех способов подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций лежит правило: число электронов,
отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем
(электронный баланс).
НАХОЖДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ В УРАВНЕНИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО БАЛАНСА
Последовательность нахождения коэффициентов в уравнении окислительно-восстановительной реакции:
MnO2 + KClO3 + KOH K2MnO4 + KCl + H2O.
Находят в составе исходных веществ и продуктов реакции элементы, у
которых изменились степени окисления, и по изменению степеней окисления
определяют окислитель и восстановитель:
4 |
2 |
1 |
5 |
2 |
1 |
2 |
1 |
1 |
6 |
|
2 |
1 |
1 |
|
|
|
|
||||||
|
Mn O2 |
K ClO3 |
K O H K2 Mn O4 |
K Cl. |
|||||||||||||||||||
Исполнитель: |
|
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
7 |
1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень окисления марганца повысилась, а степень окисления хлора понизилась, следовательно, MnO2 – восстановитель, окислился до K2MnO4, KClO3 – окислитель, восстановился до KCl.
Выписывают элементы, у которых изменились степени окисления, и
составляют электронную схему присоединения (+ e ) и отдачи ( e ) электронов
в соответствии с балансом зарядов в каждом уравнении схемы:
4 |
|
6 |
|
Mn |
2e |
Mn |
окисление |
5 |
|
1 |
|
Cl |
6e |
Cl |
восстановление. |
Подбирают наименьшие множители, уравнивающие число отданных и |
|||
принятых электронов |
|
|
|
4 |
|
6 |
|
|
|
||
Mn |
2e |
Mn |
3 |
5 |
|
1 |
|
Cl |
6e |
Cl |
1 |
|
|
|
|
Найденные множители – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции:
3MnO2 + KClO3 + KOH 3K2MnO4 + KCl + H2O.
Уравнивают число атомов элементов, у которых не изменилась степень
окисления:
3MnO2 + KClO3 + 6KOH = 3K2MnO4 + KCl + 3H2O.
Проверяют коэффициенты в уравнении: число атомов кислорода (или любого другого элемента) в левой и правой частях уравнения должно быть
одинаковым. Для данной реакции число атомов кислорода 15 = 15.
Пример. Определите коэффициенты в уравнении
|
5 |
0 |
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|
|
|
||||||
|
Ca3 ( P O4 )2 |
C SiO 2 |
|
CaSiO 4 P 4 |
C O . |
|||||||||||||
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
6 |
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение.
0 |
|
2 |
|
|
|
||
C |
2e |
C |
10 |
5 |
|
0 |
|
4 P |
20e |
P 4 |
1 |
2Ca3(PO4)2 + 10C + 3SiO2 = 3CaSiO4 + P4 + 10CO.
СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОГО БАЛАНСА
Метод электронно-ионного баланса (или электронно-ионных полуреакций) используется при составлении уравнений реакций, протекающих в растворе: в таких реакциях участвуют ионы.
Принята определенная последовательность и форма записи при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.
Составление уравнений реакций, протекающих в кислой среде
Реакция между перманганатом калия и нитритом натрия протекает в кислой среде. Уравнения реакций часто задаются в виде молекулярно-ионной схемы:
7 |
|
3 |
|
|
|
|
Mn 2 |
5 |
|
|
K Mn O |
4 |
Na N O |
2 |
H |
SO |
4 |
N O |
3 |
||
|
|
2 |
|
|
|
|
Определяют по изменению степеней окисления элементов: окислитель
KMnO4, восстановитель NaNO2; H2SO4 – создает среду в растворе.
Записывают ионную схему реакции:
K+ + MnO4+ Na+ + NO2+ 2H+ + SO42 Mn2+ + NO3+ …
В ионной схеме, как и в ионных уравнениях, сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а малорастворимые вещества и слабые электролиты - в виде молекул.
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выписывают отдельно ион окислитель (MnO4 ) и его восстановленную форму (Mn2+), а также ион – восстановитель (NO2 ) и его окисленную форму
(NO3 ), т. е. выписывают окислительно-восстановительные пары: MnO4 Mn2+
NO2 NO3 .
Составляют на основе окислительно-восстановительных пар электронно-
ионные уравнения полуреакций окисления и восстановления.
Если исходная форма окислителя (MnO4 ) или восстановителя содержит больше кислорода, чем конечная (Mn2+), то избыточные ионы кислорода,
которые не могут быть в свободном состоянии, связывают ионами H+ в
молекулы воды:
[O2 ] + 2H+ = H2O,
MnO4+ 8H+ Mn2+ + 4H2O.
На каждый избыточный ион кислорода в левой части уравнения полуреакции записывают по два иона водорода, а в правой части уравнения – соответствующее число молекул воды.
Если исходная форма окислителя или восстановителя (NO2 ) содержит меньше кислорода, чем конечная (NO3 ), то недостающие ионы кислорода компенсируют молекулами воды:
H2O = [O2 ] + 2H+,
NO2+ H2O NO3+ 2H+.
На каждый недостающий ион кислорода в левой части уравнения записывают молекулу воды, а в правой части уравнения – соответствующее число ионов водорода.
Рассчитывают число отданных и принятых электронов в полуреакциях по изменению степени окисления элемента или по правилу равенства суммарного
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
заряда частиц, включая электроны, в левой и правой частях уравнения (балансу зарядов):
MnO4 + 8H+ + 5 e = Mn2+ + 4H2O |
электронно-ионное уравнение |
|
(баланс зарядов: -1 |
+ 8 + 5( -1) = +2) |
полуреакции восстановления |
NO2 + H2O – 2 e = NO3 + 2H+ |
электронно-ионное уравнение |
|
(баланс зарядов: -1 |
–2( -1) = -1 + 2) |
полуреакции окисления. |
Составляют электронно-ионную схему реакции, находят наименьшие множители для уравнивания числа отданных и принятых электронов,
суммируют левые и правые части уравнений с учетом соответствующих
множителей: |
|
|
|
|
MnO4 + 8H+ + 5 e = Mn2+ + 4H2O |
|
|
|
|
2 |
|
|
NO2 + H2O – 2 e = NO3 + 2H+ |
|
5 |
|
2MnO4+ 5NO2+ 16H+ + 5H2O = 2Mn2+ + 5NO3+ 10H+ + 8H2O
В суммарном уравнении приводят подобные слагаемые. Полученное уравнение – ионное уравнение реакции:
2MnO4+ 5NO2+ 6H+ = 2Mn2+ + 5NO3+ 3H2O.
Дописывают молекулярное уравнение с учетом найденных стехиометрических коэффициентов:
2KMnO4 + 5NaNO2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5NaNO3 + K2SO4 + 3H2O.
Принято проверять уравнение по числу атомов кислорода в левой и правой частях уравнения – число атомов должно быть одинаковым.
Необходимо помнить, что в электронно-ионные уравнения полуреакций с заданной кислой средой помимо окисленных и восстановленных форм
включают ионы H+ и молекулы H2O.
Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для окислительно-восстановительных пар в заданной кислой среде:
а) Cr2O72- |
Cr3+; б ) PbS |
PbSO4. |
|||||||||||||||
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. |
|
|
|
|
a) |
Cr2O72- + 14H+ + 6 e = 2Cr3+ + 7H2O |
- |
электронно-ионное |
уравнение |
полуреакции восстановления; |
|
|
|
|
б) |
PbS + 4H2O – 8 e = PbSO4 + 8H+ |
- |
электронно-ионное |
уравнение |
полуреакции окисления. Вещества PbS и PbSO4 малорастворимы, поэтому в электронно-ионном уравнении записаны в молекулярной форме.
Пример 2. Окислением или восстановлением является превращение в окислительно-восстановительных парах:
а) Co3O4 + H+ Co2+; б) Fe3O4 + H+ Fe3+.
Решение. Число отданных и принятых электронов в уравнениях полуреакций с участием сложных частиц, содержащих атомы элемента в разных степенях
окисления, определяют по балансу зарядов.
а) Co3O4 + 8H+ + х e = 3Co2+ + 4H2O,
баланс зарядов: 8 + х( -1) = 6; х = 2.
Уравнение полуреакции Co3O4 + 8H+ + 2 e = 3Co2+ + 4H2O, т. е. превращение является восстановлением.
а) Fe3O4 + 8H+ + х e = 3Fe3+ + 4H2O,
баланс зарядов: 8 + х( -1) = 9; х = -1.
Уравнение полуреакции Fe3O4 + 8H+ - e = 3Fe3+ + 4H2O, т. е. превращение является окислением.
Пример 3. Найдите коэффициенты методом электронно-ионного баланса и
допишите уравнение реакции:
P + HNO3 (конц) H3PO4 + NO2.
Решение. Азотная кислота – окислитель, фосфор – восстановитель.
|
|
P + H+ + NO3¯ H3PO4 + NO2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
P + 4H2O – 5 e = H3PO4 + 5H+ |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
NO3¯ + 2H+ + e = NO2 + H2O |
|
5 |
|
||||||||||||||||
|
|
P + 5NO3¯ + 5H+ = H3PO4 + 5NO2 + H2O |
|||||||||||||||||||
Исполнитель: |
|
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
6 |
1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P + 5HNO3 (конц) = H3PO4 + 5NO2 + H2O
Составление уравнений реакций, протекающих в щелочной среде
В щелочном растворе концентрация ионов водорода мала
([Н+] 10-7 моль/л), поэтому избыточные в исходных формах ионы кислорода связывают молекулами воды в гидроксогруппы:
[O2 ] +H2O = 2OH¯.
Недостающие в исходных формах ионы кислорода компенсируют гидроксогруппами:
2OH¯ = [O2 ] + H2O.
Последовательность составления уравнений реакций с заданной щелочной средой аналогична последовательности, показанной для реакции с заданной кислой средой. Необходимо помнить, что для реакций в щелочной среде в электронно-ионные уравнения полуреакций помимо окисленных и восстановленных форм включают ионы OH¯ и молекулы H2O.
Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для окислительно-восстановительных пар в заданной щелочной среде:
а) NO3¯ → NO2¯; б) I2 → IO3¯.
Решение. а) NO3¯ + H2O + 2 e = NO2¯ + 2ОН¯;
б) I2 + 12ОН¯ – 10 e = 2IO3¯ + 6H2O. |
|
|
||
Пример 2. |
Методом |
электронно-ионного |
баланса |
определите |
коэффициенты и допишите уравнение реакции:
MnSO4 + KClO + NaOH MnO2 + Cl¯.
Решение. MnSO4 – восстановитель, KClO – окислитель; NaOH – создает
щелочную среду. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Mn2+ + SO42- + K+ + ClO¯ + Na+ + OH¯ |
MnO2 + Cl¯. |
|||||||||||||||
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
6 |
1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При недостатке кислорода в исходной форме (Mn2+) по сравнению с конечной формой (MnO2) в левую часть электронно-ионного уравнения записывают ионы ОН¯ (на каждый недостающий ион кислорода – два иона ОН¯), в правую часть - соответствующее число молекул H2O:
Mn2+ + 4ОН¯ MnO2 + 2H2O.
При избытке кислорода в исходной форме (ClO¯) по сравнению с конечной формой (Cl¯) в левую часть электронно-ионного уравнения записывают столько молекул H2O, сколько освобождается ионов кислорода, в
правую часть - гидроксогруппы (в два раза больше, чем записано молекул воды):
ClO¯ + H2O Cl¯ + 2ОН¯.
Электронно-ионные уравнения полуреакций (электронно-ионная схема),
ионное и молекулярное уравнения реакции:
Mn2+ + 4ОН¯ - 2 e = MnO2 + 2H2O |
1 |
ClO¯ + H2O + 2 e = Cl¯ + 2OH¯ |
1 |
|
|
Mn2+ + ClO¯ + 2ОН- = MnO2 + Cl¯ + H2O
MnSO4 + KClO + 2NaOH = MnO2 + KCl +Na2SO4 + H2O.
Составление уравнений реакций, протекающих в нейтральной среде
В нейтральной среде концентрация ионов H+ и ОН¯ мала, поэтому связывают избыточные и компенсируют недостающие ионы кислорода в исходных формах молекулами H2O:
[O2 ] +H2O = 2OH-; H2O = [O2 ] + 2H+.
Таким образом, в левой части уравнений полуреакций, кроме окислителя и восстановителя, могут быть записаны только молекулы воды.
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 1. Составьте электронно-ионные уравнения полуреакций для
окислительно-восстановительных пар в заданной нейтральной среде:
а) MnO42 |
MnO2; |
б) Mn2+ |
MnO2. |
Решение. а) MnO42 |
+ 2H2O + 2 e = MnO2 + 4ОН¯; |
||
|
б) Mn2+ + 2H2O – 2 e = MnO2 + 4H+. |
||
Пример 2. |
Методом электронно-ионного баланса определите |
||
коэффициенты и допишите уравнение реакции: |
|||
|
KMnO4 + Na2SO3 + H2O |
MnO2 + SO42-. |
Решение. KMnO4 – окислитель, Na2SO3 – восстановитель; среда нейтральная.
|
K+ + MnO4 |
+ 2Na+ + SO32- + H2O MnO2 + SO42-. |
|||
|
MnO4 |
+ 2H2O + 3 e = MnO2 + 4ОН- |
|
2 |
|
|
|||||
|
SO32- + H2O – 2 e = SO42- + 2H+ |
|
3 |
|
|
2MnO4 + 3SO32- + 7H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 8OH¯ + 6H+. |
|||||
Объединяют ионы H+ и ОН- в молекулы воды |
|
6H2O + 2OH¯ |
|||
Ионное и молекулярное уравнения реакции: |
|
|
|
2MnO4+ 3SO32- + H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 2OH¯, 2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH.
Пример 3. Методом электронно-ионного баланса определите
коэффициенты и допишите уравнение реакции:
K2(S5) + O3 + H2O S + O2.
Решение. Озон O3 – в окислительно-восстановительных реакциях может быть только окислителем, пентасульфид(2-) калия – восстановитель; среда нейтральная.
В заданном уравнении определить число отданных восстановителем и принятых окислителем электронов по изменению степени окисления элементов
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сложно. Число электронов рассчитывают по балансу зарядов в левой и правой частях электронно-ионных уравнений.
2K+ + (S5)2- + O3 + H2O S + O2.
|
(S5)2- - 2e- = 5S |
|
1 |
|
|
O3 + H2O + 2e- = O2 +2OH |
1 |
|
|
уравнение баланса зарядов: х( 1)= 2; |
х = 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(S5)2- + O3 + H2O = 5S + O2.+2ОН |
|||
|
К2(S5) + O3 + H2O = 5S |
+ O2.+2КОН. |
Составление уравнений реакций с незаданной средой
В электронно-ионных уравнениях избыточные в исходной форме ионы кислорода связывают ионами H+ ([O2 ] + 2H+ = H2O), недостающие в исходной форме ионы кислорода компенсируют ионами ОН¯ (2ОН¯ = [O2 ] + H2O).
Пример. Методом электронно-ионного баланса определите
коэффициенты в уравнении реакции и среду (нейтральную, кислую или щелочную), допишите уравнение:
K2Cr2O7 + NaNO2 +… Cr3+ + NO3 .
Решение.
2K+ + Cr2O72- + Na+ + NO2+… Cr3+ + NO3 .
|
Cr2O72- + 14H+ + 6 e = 2Cr3+ + 7H2O |
|
1 |
||||
|
NO2 |
+ 2OH- - 2 e = NO3 + H2O |
|
3 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr2O72- + 3NO2 |
+ 14H+ + 6OH- = 2Cr3+ + 3NO3 |
|
+ 10H2O |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6H2O + 8H+ |
|
|
Cr2O72- + 3NO2+ 8H+ = 2Cr3+ + 3NO3+ 4H2O
Как следует из ионного уравнения, реакция протекает при избытке ионов водорода, в кислой среде. Для создания кислой среды используют разбавленную серную кислоту.
Исполнитель: |
|
Дата: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мероприятие № |
4 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|