Подготовка к ЕГЭ. Решение задач.

Электронно-ионный метод составления уравнений окислительновосстановительных реакций (метод полуреакций).
Электронно-ионный метод расстановки коэффициентов в окислительновосстановительных реакциях применяется на ряду с методом электронного
баланса для реакций, протекающих в растворах.
Степень окисления при этом определять не нужно, т.к. рассматривается
участие в реакции не отдельных атомов, а целого реального иона.
Электронно-ионный метод правильнее отражает реальные процессы,
протекающие при окислено-восстановительных реакциях в растворах.
Например, в растворе перманганата калия KMnO4 рассматривается не Mn+7
(марганец в степени окисления +7 ), т.к. такого иона не существует, а
существует ион MnO-4 , в растворе дихромата натрия Na2Cr2O7 – не Cr+6 , а
ион Cr2O2-7 и т.д. При составлении уравнений обязательно учитывается
участие молекул воды, кроме того, важно, в какой среде происходят реакции.
Реакции протекающие в кислой среде.
Рассмотрим сначала, как составляется уравнение реакции, протекающие в
кислой среде. Допустим, это окисление сульфита натрия перманганатом
калия в кислой среде:
Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 → Na2SO4 + MnSO4 + H2O + K2SO4
Все вещества находятся в растворе в виде ионов, поэтому мы имеем право
записать:
2Na+ + SO2-3 + K+ + MnO-4 + 2H+ + SO2-4→
→ 2Na+ + SO24- + 2K+ + SO2-4 + Mn2+ + SO2-4 + H2O
При внимательном рассмотрении можно выделить и выписать отдельно
ионы, которые в результате реакции претерпели изменения, и ионы,
определяющие среду:
SO2-3 + MnO-4 + H+ → SO2-4 + Mn2+ + H2O
Теперь следует разобраться в процессах, происходящих с ионами. Ион SO2-3
Превратился в ион SO2-4 , т.е. присоединил атом кислорода. В растворе
находится в избытке вода и катионы H+ (т.к. среда раствора кислая).
Кислород, очевидно, отщепился от воды. Изобразим схематически:
SO2-3 + H2O → SO2-4 + 2H+
Оставшиеся от этого процесса атомы водорода (входящие в состав воды)
переходят в раствор в виде катионов H+. Итак, недостающий атом кислорода
добавлен. Теперь следует сосчитать заряды левой и правой части схемы:
SO2-3 + H2O → SO2-4 + 2H+
-2
0
Они различны: сумма зарядов левой части -2, а правой 0. Это связано с
переходом электронов. Очевидно, в процессе реакций отдано два электрона :
SO2-3 + H2O -2ê → SO2-4 + 2H+ (окисление)
Электроны отданы ионом SO2-3, т.к. произошло окисление этого иона. Ион
SO2-3 –ВОССТАНОВИТЕЛЬ.
Рассмотрим что происходит с ионом MnO-4.
Он превратился в ион Mn2+, т.е. полностью потерял 4 атома кислорода. Они
будут связаны ионами водорода, которых в кислой среде избыток
MnO-4 + H+ → Mn2+ H2O
Для того чтобы связать 4 атома кислорода в молекулы воды, требуется 8
ионов H+:
MnO-4 + 8H+ → Mn2+ + 4H2O (восстановление)
+7
+2
Устраним несоответствие в зарядах :
MnO-4 + 8H+ + 5ê → Mn2+ + 4H2O
Изменение заряда системы от +7 до +2 связано с присоединением 5
электронов. Электроны принял ион MnO-4. Он является ОКИСЛИТЕЛЕМ.
Итак, мы получили два электронно-ионных уравнения. Запишем их вместе:
SO2-3 + H2O - 2ê → SO2-4 + 2H+
5
10
MnO-4 + 8H+ +5ê → Mn2+ + 4H2O
2
Уравняем число отданных и принятых электронов, найдя дополнительные
множители: 5 и 2. Теперь умножаем каждое уравнение на свой множитель и
одновременно почленно складываем их (кроме электронов).
Получаем:
SO2-3 + H2O - 2ê → SO2-4 + 2H+
5
MnO-4 + 8H+ +5ê → Mn2+ + 4H2O 2
5SO2-3 + 5H2O + 2MnO-4 + 16H+ → 5SO2-4 + 10H+ + 2Mn2+ + 8H2O
Приводим подобные члены:
5SO2-3 + 2MnO-4 + 6H+ → 5SO2-4 + 2Mn2+ + 3H2O
Найдя коэффициенты перед ионами, ставим их в молекулярное уравнение:
5Na2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4+ 3H2O
Вывод: при составлении уравнений окислительно-восстановительных
реакций методом полуреакций надо помнить следующее:
1) В ионной форме записываются только формулы веществ,
распадающихся в растворах на ионы.
2) Во всех случаях сначала уравнивается число кислородных атомов.
3) В кислой среде кислород отдает молекулы воды, а связывается он
ионами водорода.
Упражнения
1. Расставьте коэффициенты методом полуреакций в следующих
уравнениях окислительно-восстановительных реакций протекающих в
кислой среде:
1) KMnO4 + NaNO2 + H2SO4 → K2SO4 + NaNO3 + MnSO4 +H2O
2) KMnO4 + KBr + H2SO4 → K2SO4+ Br2 + MnSO4 +H2O
3) NaCIO + KI + H2SO4 → NaCI + K2SO4 + I2 +H2O
4) NaCI + K2Cr2O7 + H2SO4 → Na2SO4 + CI2 + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O
5) Cr(NO3)3 + NaBiO3 + HNO3 → H2Cr2O7 + Bi(NO3)3 + NaNO3 + H2O
6) KMnO4 + HCI → CI2 + MnCI2 + KCI + H2O
7) K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + S + H2O
8) KCIO3 + FeSO4 + H2SO4 → KCI + Fe(SO4)3 + H2O
9) KI + KNO2 + H2SO4 → I2 + NO + K2SO4 + H2O
10) As2S3 + HNO3 + H2O → H3AsO4 + H2SO4 + NO
11)H2S + CI2 + H2O → H2SO4 + HCI
12)HNO2 + KMnO4 + H2SO4→ HNO3 +MnSO4 + K2SO4 + H2O
2. Составьте уравнения реакции в сокращенной ионной форме, используя
метод полуреакций:
1) HI + H2SO4 → I2 + H2S + H2O
2) KI + KBrO3 + HCI → I2 + KBr + KCI + H2O
3) FeSO4 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
4) Cr + O2 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + H2O
Реакции протекающие в щелочной среде.
Например,
CrCI3 + NaCIO + NaOH → Na2CrO4 + NaCI + H2O
Последовательность действий сначала такая же, как и при реакции в кислой
среде. Записываем схему в ионной форме:
Cr+3 + 3CI- + Na+ + CIO- + Na+ + OH- → 2Na+ + CrO2-4 + Na+ + CI- + H2O
Выписываем формулы ионов, претерпевающих изменения и определяющих
среду:
Cr+3 + CIO- + OH- → CrO2-4 + CI- + H2O
Рассматриваем разницу в числе кислородных атомов. В щелочной среде
кислород представляют ионы OH-. Каждые два иона OH- отдают один
кислородный атом превращаются в молекулу воды. Следовательно, ионов
OH- нужно вдвое больше, чем требуется атомов кислорода:
Cr+3 + 8OH- → CrO2-4 + 4H2O
Подсчитаем заряды :
Cr+3 + 8OH- → CrO2-4 + 4H2O
-5
-2
Происходит отдача трех электронов ионов Cr3-. Он окисляется и является
восстановителем:
Cr+3 + 8OH- -3ê → CrO2-4 + 4H2O
Превращение CIO- в CI- требует связывание атомов кислорода. Это
осуществляется молекулами воды. Каждая молекула воды, принимая один
кислородный атом превращается в два иона OH-:
CIO- + H2O → CI- + 2OHПодсчитаем заряды:
CIO- + H2O → CI- + 2OH-1
-3
Ион CIO- принимает 2 электрона, CIO- восстанавливается и является
окислителем:
CIO- + H2O +2ê → CI- + 2OHДалее все так же, как в кислой среде:
Cr+3 + 8OH- -3ê → CrO2-4 + 4H2O
CIO- + H2O +2ê → CI- + 2OH-
2
3
2Cr+3 + 16OH- + 3H2O + 3CIO-→ 2CrO2-4 + 8H2O + 3CI- + 6OHПриводим подобные члены :
2Cr+3 + 10OH- + 3CIO- → 2CrO2-4 + 5H2O + 3CIРасставляем коэффициенты в молекулярном уравнении:
2CrCI3 + 3NaCIO + 10NaOH → 2Na2Cr2O7 + 3NaCI + 5H2O
Вывод: при составлении уравнений в щелочной среде правила те же, но
кислород представляют ионы OH- , а связываются он молекулами воды.
Упражнения1.Расставьте электронно-ионным методом коэффициенты в
следующих уравнениях реакций окислительно-восстановительных,
протекающих в щелочной среде :
1) MnCL2 + KBrO + KOH → MnO2 + KBr + KCI + H2O
2) KMnO4 + Na2SO3 + KOH → Na2SO4 + K2MnO4+ H2O
3) KMnO4 + K2NO2 + KOH → KNO3 + K2MnO4 + H2O
4) KCrO2 + CI2 + KOH → K2CrO4 + KCI + H2O
5) Cr2(SO4)3 + Br2 + NaOH → Na2CrO4 + NaBr + Na2SO4 + H2O
6) FeSO4 + NaCIO + NaOH + H2O → Fe(OH)3 + NaCI + Na2SO4
7) AI + KNO3 + KOH + H2O → NH3 + KAIO2
8) MnO2 + KCIO3 + KOH → K2MnO4 + KCI + H2O
9) Cr2O3 + NaNO3 + KOH → K2CrO4 + NaNO2 + H2O
10) KMnO4 + NaI + KOH → I2 + K2MnO4 + NaOH
Реакции протекающие нейтральной среде.
KMnO4 + K2SO4 + H2O → K2SO4 + MnO2
Рассмотрим, как диссоциируют вещества:
K+ + MnO-4 + 2K+ + SO2-3 + H2O → 2K+ + SO2-4 + MnO2
Выписываем ионы, претерпевшие изменения, и формулу воды,
образующей среду:
MnO-4 + SO2-3 + H2O → SO2-4 + MnO2
Начинаем с уравнивания числа кислородных атомов. Поскольку среда
нейтральная, добавлять кислород и связывать его можно только атомами
воды. Отдавая кислород, они превращаются в ионы H+ , а принимая – в
ионы OH- . Каждая молекула воды может принимать один кислородный
атом, превращаясь при этом в два иона OH-:
MnO4 + 2H2O → MnO2 + 4OHПодсчитаем заряды:
MnO-4 + 2H2O → MnO2 + 4OH-1
-4
Ион MnO-4 – принимает 3ê. Он окислитель.
MnO4 + 2H2O +3ê → MnO2 + 4OHКаждая молекула воды может отдать атом кислорода, превращаясь при этом
в два иона H+:
SO2-3 + H2O -2ê → SO2-4 + 2H+
Подсчитаем заряды:
SO2-3 + H2O → SO2-4 + 2H+
-2
0
Происходит отдача двух электронов. Ион SO2-3 – восстановитель.
Соединим оба электронно-ионных уравнения :
MnO-4 + 2H2O +3ê → MnO2 + 4OH-
SO2-3 + H2O -2ê → SO2-4 + 2H+
2
3
MnO-4 + 4H2O + 3SO2-3 + 3H2O→ 2MnO2 + 8OH- + 3SO2-4 + 6H+
В правой части равенства 8 ионов OH- и шесть ионов H+. Они образуются
между собой 6 молекул воды и два иона OH- . В левой части суммируем
4H2O и 3H2O. Получаем:
2MnO-4 + 7H2O + 3SO2-3 → 2MnO2 + 6H2O + 2OH- + 3SO2-4
Приводим подобные члены:
2MnO-4 + H2O + 3SO2-3 → 2MnO2 + 2OH- + 3SO2-4
Появление в правой части свободных ионов OH- свидетельствует об
образовании щелочи. Ставим коэффициенты в молекулярное уравнение.
2KMnO4 + 3K2SO4 + H2O → 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH
Вывод: в нейтральной среде добавление и связывание атомов кислорода
осуществляется только молекулами воды.
Упражнения
1. Расставьте методом полуреакций коэффициенты следующих уравнениях
окислительно-восстановительных реакций, протекающих в нейтральной
среде:
1) KMnO4 + KNO2 + H2O → MnO2 + KNO3 + KOH
2) SO2 + NaIO3 + H2O → NaI + H2SO4
3) KBr + KMnO4 + H2O → Br2 + MnO2 + KOH
4) Na2SO3 + Br2 + H2O → HBr + Na2SO4
5) S + KCIO3 + H2O → CI2 + K2SO4 + H2SO4
6) Ca(CIO)2 + Na2S + H2O → KCI2 + S + NaOH
7) Na2C2O4 + KBrO3 + H2O → CO2 + KBr + NaOH
8) AgNO3 + PH3 + H2O → Ag + H3PO4 + HNO3
9) KMnO4 + MnSO4 + H2O → MnO2 + K2SO4 + H2SO4
10) Ti2(SO4)3 + KCIO3 + H2O → TiOSO4 + KCI + H2SO4