По методу учета степеней окисления

 

         Составление уравнений по этому методу осуществляется в несколько стадий:

1. Записывают уравнение реакции со всеми участвующими в ней веществами-реагентами и продуктами – без коэффициентов.

2. Указывают степень окисления всех атомов каждого вещества.

3. Находят атомы (окислитель и восстановитель), степень окисления которых в ходе реакции изменяется.

4. Определяют числа принятых и отданных электронов в процессах восстановления и окисления. Эти числа удобно показывать над стрелками, которыми соединяют соответствующие атомы в левой и правой частях уравнения. Если в состав реагента или продукта входит несколько атомов элемента, степень окисления которых изменяется, то это учитывают умножением числа этих атомов на число соответствующих электронов.

5. Подбирают множители к числам отданных и принятых электронов (по их наименьшему общему кратному) таким образом, чтобы соответствующие произведения были равны (электронный баланс). Эти множители в виде коэффициентов ставят в обе части уравнения к продуктам и реагентам, содержащим окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы.

6. Уравнивают числа катионов металлов в левой и правой частях уравнения.

7. Если реакция протекает в кислой среде, то уравнивают числа кислотных остатков.

8. Уравнивают числа протонов.

9. Проверяют правильность расставленных коэффициентов по равным числам атомов кислорода левой и правой частей уравнения. В тех случаях, когда у кислорода изменяется степень окисления, проверку проводят по числу атомов других элементов.

                      

    Пример 1. Найти коэффициенты несбалансированного уравнения реакции:

Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄   ®    AsH₃ + ZnSO₄ + H₂O .  (19)

 

  Во-первых, расставим окислительные числа ко всем атомам веществ данной реакции:

   0       +1 +3 –2     +1 +6 –2                  -3 +1      +2 +6 –2    +1 –2    

   Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄    ®   AsH₃ + ZnSO₄ + H₂O .

 

Атомы, степень окисления которых изменяется, – это атомы цинка и мышьяка. Соединим их стрелками:

                                                     - 2е

               0              +3                                               -3           +2

          Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄         ®   AsH₃ + ZnSO₄ + H₂O .

 

                                                     + 6е

Атом цинка Zn(0)  отдает 2 электрона и приобретает положительную степень окисления Zn(+2) в сульфате цинка; цинк - восстановитель. Ортомышьяковистая кислота (H₃AsO₃) - окислитель, атом мышьяка которой As(+3), принимая 6 электронов, образует арсин AsH₃ , степень окисления атома мышьяка в котором -3. Уравняем числа отданных и принятых электронов: 2е × х = 6е × у. Наименьшим общим кратным чисел 2 и 6 является 6. Следовательно, множителями чисел отданных и принятых электронов будут соответственно х = 3 и у = 1, а общее число принятых электронов

( +6е ) будет равно числу отданных электронов ( -6е ).

 

                                      (- 2е) × 3 = - 6е

 

               0              +3                                               -3           +2

          Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄            AsH₃ + ZnSO₄ + H₂O .

                                             (+ 6е) × 1 = +6е

 

 Подставим найденные множители в виде коэффициентов в обе части уравнения к веществам, содержащим атомы As и Zn:

      3Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄  ®     AsH₃ + 3ZnSO₄ + H₂O.

 

Так как справа оказалось три кислотных остатка, то и в левой части уравнения поставим коэффициент 3 к серной кислоте:

     3Zn + H₃AsO₃ + 3H₂SO₄   ®    AsH₃ + 3ZnSO₄ + H₂O.  

 

Далее уравняем числа атомов водорода, подставив  в правую часть коэффициент 3 к воде:

     3Zn + H₃AsO₃ + 3H₂SO₄  ®     AsH₃ + 3ZnSO₄ + 3H₂O.  

 

Проверим правильность расставленных коэффициентов по количеству атомов кислорода в левой и правой частях уравнения:

              3 + 3 × 4 = 3 × 4 + 3 ; 15 = 15.

 

    Пример 2. Найти коэффициенты несбалансированного уравнения реакции:

   NaBiO₃ + CrCl₃ + HCl ® BiCl₃ + Na ₂Cr ₂O₇ + H₂O + NaCl . (20)

                             (+ 2е) × 3 = + 6е

    +1 +5 -2     +3 -1     +1 -1            +3 -1      +1 +6 -2    +1 –2   +1 -1

   NaBiO₃ + CrCl₃ + HCl ® BiCl₃ + Na ₂Cr ₂O₇ + H₂O + NaCl.

 

 

                                           (- 3е ) × 2 × 1 = - 6е

 

         Степень окисления изменяется у атомов висмута и хрома. Окислитель в этой реакции - висмутат натрия . В нем Bi(+5) восстанавливается до Bi(+3), принимая 2е. Восстановитель - хлорид хрома. В нем Cr(+3), отдавая 3е, окисляется до Cr(+6). Окисленные атомы хрома входят в состав дихромата натрия в количестве двух атомов, поэтому число отданных одним атомом хрома электронов надо умножить на два. Учитывая это, уравняем числа принятых (х) и отданных (у) электронов: 

2е × х = 3е × 2 × у . Наименьшим общим кратным чисел 2 и 6 является 6. Следовательно, множителями чисел принятых и отданных электронов будут соответственно х = 3 и у = 1, а общее число принятых электронов (+6е) будет равно общему числу отданных электронов (-6е).

         Найденные множители используем как коэффициенты: 3 для веществ, содержащих атом висмута, а 1 – для дихромата натрия. Учитывая, что в дихромате натрия два атома хрома, коэффициент 2 поставим к хлориду хрома:

3NaBiO₃ + 2CrCl₃ + HCl ®  3BiCl₃ + Na ₂Cr ₂O₇ + H₂O + NaCl .

 

Так как и слева и справа оказалось по три катиона натрия, то их специально уравнивать уже не надо. Далее уравниваем числа кислотных остатков (Cl^-) обеих частей уравнения: в левой части их 7, а в правой 10, поэтому поставим коэффициент 4 к хлороводороду (HCl):

3NaBiO₃ + 2CrCl₃ + 4HCl ® 3BiCl₃ + Na ₂Cr ₂O₇ + H₂O + NaCl.

 

В последнем уравнении протонов (Н⁺) оказалось слева 4, а справа 2, поэтому в правой части поставим к Н₂О коэффициент 2, тогда протонов в обеих частях уравнения окажется по 4:

3NaBiO₃  + 2CrCl₃ + 4HCl ® 3BiCl₃ + Na ₂Cr ₂O₇ + 2H₂O + NaCl.

 

Остается проверить правильность расставленных коэффициентов по кислороду – его атомов слева 9 и справа 9, следовательно уравнение сбалансировано, и коэффициенты расставлены правильно.

 

      Пример 3. Найти коэффициенты несбалансированного уравнения реакции:

    Cu + HNO₃  ®  Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O .                    (21)

 

В данном случае азотная кислота выполняет функции окислителя и среды. Уравнение можно записать следующим образом:

                                                      ( -2е ) × 3 = -6е

 

        0     +1+5-2                       +1+5-2                                 +2 +5 -2      +2-2    +1 -2

      Cu + HNO₃ (окисл) + HNO₃ (среда) ®         Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O.  

    

                                                      ( +3е ) × 2 = +6е

Степень окисления изменяется у меди и азота. Окислитель в этой реакции – азотная кислота. В ней N(+5), принимая 3е, восстанавливается до N(+2). Восстановитель – медь. Ее атомы Cu(0), отдавая 2е, окисляются до Cu(+2). Уравняем числа отданных и принятых электронов:

2е ×х = 3е × у . Наименьшим общим кратным чисел 2 и 3 является 6. Следовательно, множителями чисел отданных и принятых электронов будут соответственно х = 3 и у = 2, а общее число принятых электронов (+6е) будет равно общему числу отданных электронов (-6е). Найденный коэффициент 3 можно поставить в уравнение к восстановителю и его окисленной форме Cu(NO₃)₂ , а коэффициент 2 – к окислителю и его восстановленной форме NO:

3Cu + 2HNO₃ (окисл) + HNO₃ (среда)    ®   3Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O . 

 

Далее уравняем числа кислотных остатков, поставив коэффициенты 6 к азотной кислоте, выполняющей роль среды, а для уравнивания протонов поставим коэффициент 4 к молекуле воды:

3Cu + 2HNO₃ (окисл) + 6HNO₃ (среда)  ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.  

 

         Равенство чисел атомов кислорода в левой и правой частях уравнения ( по 24 ) указывает на то, что коэффициенты уравнения расставлены правильно. Окончательное уравнение реакции будет следующим:

         3Cu + 8HNO₃ ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O . 

         Эквивалентом окислителя или восстановителя называется частица вещества или ее доля, на которую в окислительно-восстановительной реакции приходится один присоединенный или отданный электрон. Следовательно, массу эквивалента окислителя или восстановителя в реакции ( в а.е.м. ) можно определить, разделив соответствующую молекулярную или атомную массу на число отданных или принятых электронов. Так, в реакции (3) эквивалент восстановителя – цинка будет 1/2 Zn (пол-атома цинка), а его масса и молярная масса эквивалентов (или эквивалентная масса) будут соответственно равны:

          m°_Э (Zn) = М (Zn) / 2 = 65 а.е.м. / 2 = 32,5 а.е.м.,

          М_Э (Zn) = 32,5 г/ моль.

Эквивалент окислителя будет 1/6 H₃AsO₃ и, соответственно, масса  и эквивалентная масса окислителя будут равны:

          m°_Э (H₃AsO₃) = М (H₃AsO₃) / 6 = 126 а.е.м. / 6 = 21 а.е.м.;

          М_Э (H₃AsO₃) = 21 г/ моль.