2. Электронно-ионный баланс

Какие химические реакции относятся к окислительно-восстановительным, вы узнали, изучая главу IX; тогда же вы научились составлять уравнения этих реакций методом электронного баланса. В этой главе вы познакомитесь с особенностями протекания ОВР в водных растворах и со специфическим для таких реакций методом составления их уравнений.

Особенностью ОВР в растворах (в частности, в водных) является возможность участия в этих реакциях растворителя (воды), а также продуктов автопротолиза растворителя (в случае воды – ионов оксония и гидроксид-ионов). В случае водных растворов это приводит к возможности протекания между одними и теми же исходными веществами разных реакций в разных средах: кислотной, нейтральной или щелочной. Так, между KMnO₄ и KNO₂ в растворе в зависимости от реакции среды могут протекать следующие химические реакции:

2MnO₄ + 5NO₂ + 6H₃O = 2Mn + 5NO₃ + 9H₂O (кислотная среда); 2MnO₄ + 3NO₂ + H₂O = 2MnO₂ + 3NO₃ + 2OH (нейтральная среда); 2MnO₄ + NO₂ + 2OH = 2MnO₄ + NO₃ + H₂O (щелочная среда).

Если известны все исходные вещества и продукты реакции, то, составляя уравнения таких реакций, можно пользоваться методом электронного баланса. Если же участники реакции не очевидны, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса (другое название – метод полуреакций). Использование этого (более сложного) метода оправдано еще и тем, что коэффициенты в уравнениях ОВР, протекающих в растворах, бывают довольно большими,(известна, например, реакция между тремя неорганическими веществами, сумма коэффициентов в уравнении которой равна 8600)  и их подбор методом электронного баланса оказывается очень трудоемким.

Рассмотрим метод электронно-ионного баланса на примере реакции диоксида марганца с соляной кислотой (реакция используется в лабораториях для получения хлора).

1. Запишем, какие реально существующие вещества и частицы имеются в нашей химической системе до начала реакции. Составляя этот перечень, обратим внимание на то, что

• из нерастворимых веществ в нашей системе присутствует только MnO₂,

• соляная кислота – кислота сильная, и в растворе нет молекул HCl,

• вода (соляная кислота – раствор хлороводорода в воде), наоборот, практически полностью состоит из молекул..

MnO₂, H₃O , Cl , H₂O

2. Для наглядности выделим окислитель (в данном случае MnO₂), взяв его формулу в прямоугольную рамочку, и восстановитель (в данном случае Cl ) – в овальную рамочку. Подчеркнем ион, определяющий реакцию среды (ион H₃O+ – среда кислотная):

3. Запишем уравнение полуреакции восстановления окислителя. Эта операция разделяется на два этапа. На первом – добиваемся материального баланса (в правой и левой частях уравнения полуреакции – одинаковые атомы в равных количествах), а на втором этапе – зарядового (заряд в правой части уравнения равен заряду в левой).

Известно, что все соединения марганца в кислотной среде, восстанавливаясь, превращаются в ионы марганца(2 ), следовательно

MnO₂ Mn²

В левой части схемы полуреакции присутствуют два " лишних" атома кислорода в степени окисления –II, которые в реакции не меняют своей степени окисления. Поскольку ион O^2A, являясь очень сильным основанием, в водном растворе существовать не может, атомы кислорода в кислотной среде могут быть связаны ионами оксония с образованием молекул воды:

MnO₂ + 4H₃O    Mn + 6H₂O

На этом этапе мы достигли материального баланса. Однако заряд в левой части схемы полуреакции не равен заряду в правой части (+4 е и +2 е). Для уравнивания зарядов прибавим в левой части полуреакции 2 электрона. Уравнение полуреакции окислителя готово:

MnO₂ + 4H₃O   + 2e^– = Mn + 6H₂O

4. Запишем уравнение полуреакции восстановителя. При этом можно пользоваться следующим правилом: восстановитель обычно окисляется до ближайшей устойчивой в данных условиях степени окисления. Для хлора такой ближайшей степенью окисления будет ноль, следовательно, образуется газообразный хлор:

Cl Cl₂

Материальный баланс достигается в этом случае очень просто:

2Cl Cl₂

Для уравнивания заряда отнимем в левой части полуреакции два электрона:

2Cl –2е^– = Cl₂

5. Запишем теперь оба уравнения полуреакций в виде системы уравнений

MnO₂ + 4H₃O + 2e^– = Mn² + 6H₂O 2Cl –2е^– = Cl₂

В данном случае число отданных электронов равно числу принятых.

6. Если сложить эти два уравнения (в данном случае не домножая на дополнительные множители), то электроны сократятся, и мы получим ионное уравнение реакции.

MnO₂ + 4H₃O + 2Cl = Mn² + 6H₂O + Cl₂

7. Для написания молекулярного уравнения нам придется вернуться к самому началу наших рассуждений и вспомнить, что источником ионов оксония в нашей системе были только молекулы хлороводорода. Следовательно, четыре иона оксония образовались из четырех молекул HCl, а ионы марганца при удалении воды свяжутся с хлоридными ионами, образовав хлорид марганца(II):

MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ +2H₂O + Cl₂

Два " лишних" хлорид-иона, добавленные нами в левой части уравнения, пошли на образование одной формульной единицы хлорида марганца(II). Четыре из шести образовавшихся молекул воды " входили в состав" ионов оксония и поэтому в молекулярном уравнении не учитываются.

Таким образом, алгоритм составления уравнения ОВР методом электронно-ионного баланса таков:

1. Составить перечень веществ и частиц, присутствующих в системе до начала реакции.

2. Найти среди них окислитель и восстановитель; определить реакцию среды.

3. Составить уравнение полуреакции окислителя.

4. Составить уравнение полуреакции восстановителя.

5. Уравнять число принятых и отданных электронов.

6. Составить ионное уравнение.

7. Составить молекулярное уравнение.

Составляя этим методом уравнений ОВР, необходимо учитывать следующие основные правила:

1) при составлении уравнений полуреакций можно использовать только те вещества и частицы, которые присутствуют в данной системе;

2) продуктами полуреакций могут быть только те вещества и частицы, которые устойчивы в данной системе;

3) при составлении уравнения полуреакции окислителя нельзя использовать частицы восстановителя и наоборот, при составлении уравнения полуреакции восстановителя нельзя использовать частицы окислителя.

В рамках так называемой " теории электролитической диссоциации"  (устаревшая, но все еще широко применяемая в учебной литературе теория, не учитывающая существование немолекулярных веществ и предполагающая самостоятельное сущесвование ионов водорода), вместо H₃O записывают H . В этом случае процесс составления уравнения выглядит следующим образом

MnO₂ + 4H + 2e^– = Mn² + 2H₂O 2Cl –2е^– = Cl₂ MnO₂ + 4H + 2Cl = Mn² + 2H₂O + Cl₂ MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ +2H₂O + Cl₂