Метод электронно-ионного баланса

Для подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водном растворе при участии ионов, используют метод электронно-ионного баланса.

Метод электронно-ионного баланса складывается из следующих этапов:

а) записывают формулы реагентов данной реакции

K2Cr2O7 + H2SO4 + H2S

и устанавливают химическую функцию каждого из них (здесь K2Cr2O7окислитель, H2SO4кислотная среда реакции, H2S − восстановитель);

б) записывают (на следующей строчке) формулы реагентов в ионном виде, указывая только те ионы (для сильных электролитов), молекулы (для слабых электролитов и газов) и формульные единицы (для твердых веществ), которые примут участие в реакции в качестве окислителя (Cr2O72− ), среды (Н+ − точнее, катиона оксония H3O+) и восстановителя (H2S):

Cr2O72− + H+ + H2S

в) определяют восстановленную форму окислителя и окисленную форму восстановителя, что должно быть известно или задано (так, здесь дихромат-ион переходит катионы хрома(III), а сероводород − в серу); эти данные записывают на следующих двух строчках, составляют электронно-ионные уравнения полуреакций восстановления и окисления и подбирают дополнительные множители для уравнений полуреакций:

полуреакция восстановления Cr2O72− + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O     * 1
полуреакция окисления H2S − 2e = S(т) + 2H+     * 3

г) суммируя уравнения полуреакций, составляют ионное уравнение данной реакции, т.е. дополняют запись (б):

Cr2O72− + 8H+ + 3H2S = 2Cr3+ + 7H2O + 3S(т)

д) на основе ионного уравнения составляют молекулярное уравнение данной реакции, т.е. дополняют запись (а), причем формулы катионов и анионов, отсутствующие в ионном уравнении, группируют в формулы дополнительных продуктов (K2SO4):

K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3H2S = Cr2(SO4)3 + 7H2O + 3S(т) + K2SO4

е) проводят проверку подобранных коэффициентов по числу атомов элементов в левой и правой частях уравнения (обычно достаточно только проверить число атомов кислорода).

Окисленная и восстановленная формы окислителя и восстановителя часто отличаются по содержанию кислорода (сравните Cr2O72− и Cr3+). Поэтому при составлении уравнений полуреакций методом электронно-ионного баланса в них включают пары Н+2О (для кислотной среды) и ОН2О (для щелочной среды).

Если при переходе от одной формы к другой исходная форма (обычно − окисленная) теряет свои оксид-ионы (ниже показаны в квадратных скобках), то последние, так как они не существуют в свободном виде, должны быть в кислотной среде соединены с катионами водорода, а в щелочной среде − с молекулами воды, что приводит к образованию молекул воды (в кислотной среде) и гидроксид-ионов (в щелочной среде):

кислотная среда [O2−] + 2H+ = H2O
щелочная среда [O2−] + H2О = 2 ОН

Недостаток кислорода в исходной форме (чаще − в восстановленной) по сравнению с конечной формой компенсируется добавлением молекул водыкислотной среде) или гидроксид-ионовщелочной среде):

кислотная среда H2O = [O2−] + 2H+
щелочная среда 2 ОН= [O2−] + H2О

Другие примеры подбора коэффициентов:

а) 2KMnO4 + 3H2SO4 + 5Na2SO3 = 2MnSO4 + 3H2O + 5Na2SO4 + K2SO4
2MnO4 + 6H+ + 5SO32− = 2Mn2+ + 3H2O + 5SO42−
MnO4 + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O     * 2
SO32− + H2O − 2e = SO42− + 2H+     * 5

(продукт восстановления перманганат-иона MnO4 в сильнокислотной среде − катион Mn2+)

б) Na2SO3 + 2KOH + 2KMnO4 = Na2SO4 + H2O + 2K2MnO4
SO32− + 2 OH + 2MnO4 = SO42− + H2O + 2MnO42−
MnO4 + 1e = MnO42−     * 2
SO32− + 2 OH − 2e = SO42− + H2О     * 1

(продукт восстановления перманганат-иона MnO4 в сильнощелочной среде − манганат-ион MnO42−)

в) 2KMnO4 + H2О + 3Na2SO3 = 2MnО2(т) + 3Na2SO4 + 2КОН
MnO4 + H2О + 3SO32− = 2 MnО2(т) + 3SO42 + 2ОН
MnO4 + 2 H2О + 3e = MnО2(т) + 4 ОН     * 2
SO32− + H2O − 2e = SO42− + 2H+     * 3
8ОН + 6Н+ = 6Н2О + 2 ОН

(если перманганат-ион используется в качестве окислителя в слабокислотной среде или в слабощелочной среде, то продукт восстановления − MnО2. Часто слабокислотную и слабощелочную среду условно называют нейтральной, при этом в уравнения полуреакций слева вводят только молекулы воды. В этом случае при составлении уравнения приходится после подбора дополнительных множителей записывать дополнительное уравнение, отражающее образование воды из ионов Н+ и ОН).