Присоединение кислорода восстановителем в кислой и нейтральной средах происходит за счет молекул воды, при этом образуются ионы водорода: - Окислительно-восстановительные процессы

Н 2О = О 2- + 2Н+.

В Щелочной среде атомы кислорода можно взять из гидроксид-ионов, при этом образуются молекулы воды:

2ОНЇ = О 2- + Н 2О.

Пример 1. Рассмотрим взаимодействие перманганата калия и иодида калия в кислой среде:

КMnO4 + KI + H2SO4 > MnSO4 + I2 + K2SO4 +H2O.

Чтобы записать уравнение в ионном виде, нужно учесть, Что слабые электролиты, малорастворимые вещества и газы мы записывает в молекулярной форме, только сильные растворимые в воде электролиты можно разбить на ионы:

К+ + MnO4Ї + K+ + I - + 2H+ + SO42- > Mn2+ + SO42- + I2О + 2K+ +SO42- +H2O.

Сократив одинаковые ионы, получим ионную схему реакции:

MnO4Ї + I - + 2H+ > Mn2+ + I2О + H2O.

Очевидно, что перманганат-ионы являются окислителями и восстанавливаются до Mn2+, иодид-ионы являются восстановителями и окисляются до I2О.

Составляем полуреакцию восстановления с учетом того, что исходное вещество содержит в четыре раза больше атомов кислорода, чем продукт реакции, поэтому в левую часть полуреакции добавляем столько ионов водорода, сколько нужно для связывания избыточного кислорода:

MnO4Ї + 8H+ > Mn2+ + 4H2O

Так как суммарный заряд в левой части уравнения должен быть равен (+2), то наш окислитель будет принимать 5 электронов:

MnO4Ї + 8H+ + 5е - > Mn2+ + 4H2O

Полуреакция окисления в данном случае составляется просто:

2I - - 2e - > I2О.

На следующем этапе каждую полуреакцию умножают на такой множитель, чтобы суммарно число принятых окислителем электронов, было равно числу отданных восстановителем. После этого суммируем обе полуреакции и получаем сбалансированное полное ионно-молекулярное уравнение данного процесса:

2I - - 2e - > I2О ¦5

MnO4Ї + 8H+ + 5е - > Mn2+ + 4H2O ¦2

10 I - + 2MnO4Ї + 16H+ > 5I2О + 2Mn2+ + 8H2O

Полученные коэффициенты переносим в основное уравнение, ставим их перед соответствующими веществами:

2КMnO4 +10 KI + 8H2SO4 > 2MnSO4 + 5I2 + K2SO4 + 8H2O

Коэффициент перед сульфатом калия определяем после подсчета всех атомов калия в левой части уравнения: 2 + 10 = 12. Поделив это значение на два (т. к. 1 моль K2SO4 содержит два моля атомов калия) получим коэффициент, равный 6.

2КMnO4 +10 KI + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O.

Пример 2. Уравнять реакцию процесса окисления сероводорода хлорной водой, который протекает по схеме:

H2S + Cl2 +H2O > H2SO4 + HСl

Уравнение в ионном виде выглядит так:

H2S + Cl2 +H2O > 2H+ + SO42- + H+ + СlЇ

Так как степень окисления хлора понижается, а степень окисления серы повышается, то хлор проявляет в данном случае окислительные свойства, а сероводород - восстановительные.

Запишем уравнение полуреакции восстановления хлора:

Cl2 + 2е - > 2ClЇ

Составляя уравнение полуреакции окисления, будем исходить из схемы: H2S > SO42-. Отсюда видно, что продукт реакции содержит 4 атома кислорода, которые в кислой среде можно получить из четырех молекул воды. При этом образуются восемь ионов водорода Н+, кроме этого, молекула H2S дает еще два иона Н+; всего в правой части уравнения получается десять ионов Н+:

H2S + 4H2O > 10 H+ + SO42-

Суммарный заряд ионов в правой части уравнения равен (+8), поэтому восстановитель в левой части уравнения должен отдать восемь электронов:

H2S + 4H2O - 8e - > 10 H+ + SO42-

Число отданных электронов в четыре раза больше числа принятых электронов, поэтому при сложении уравнений полуреакций восстановления и окисления, первое уравнение умножаем на 4, а второе - на 1:

Cl2 + 2е - > 2ClЇ ¦4

H2S + 4H2O - 8e - > 10 H+ + SO42- ¦1

4Cl2 + H2S + 4H2O > 8ClЇ + 10 H+ + SO42-

Теперь можно записать окончательное уравнение в молекулярной форме:

4H2S + Cl2 + 4H2O = H2SO4 + 8HСl

Пример 3. Во многих случаях Окислитель (чаще всего кислота) выполняет еще и Функцию солеобразователя. Например, окисление меди азотной кислотой может протекать по следующей схеме:

Cu + HNO3 > Cu(NO3)2 + NO + ...

Запишем уравнение в ионном виде:

CuО + H+ + NO3Ї > Cu2+ + 2(NO3)- + NO + ...

Степени окисления здесь изменяются у атомов меди и азота; восстановителем является медь, окислителем выступают нитрат-ионы азотной кислоты.

CuО - 2е - > Cu2+,

NO3- > NO.

Из последней схемы видно, что исходное вещество-окислитель содержит на два атома кислорода больше, чем продукт восстановления; в кислой среде эти атомы кислорода будут связываться с ионами водорода Н+ и образовывать две молекулы воды:

NO3- + 4Н+ > NO + 2Н 2О

Суммарный заряд частиц в левой части равен (+3). Чтобы заряд обеих частей уравнения был одинаков, необходимо в левую часть добавить три электрона:

NO3- + 4Н+ + 3е - > NO + 2Н 2О

Чтобы уравнять число перемещаемых электронов, перед сложением полуреакций, нужно уравнение процесса окисления умножить на три, а уравнение процесса восстановления - на 2:

CuО - 2e - > Cu2+ ¦3

NO3- + 4Н+ + 3е - > NO + 2Н 2О ¦2

3CuО + 2NO3- + 8Н+ > 3Cu2+ + 2NO + 4Н2О.

В молекулярном уравнении перед молекулой азотной кислоты нужно поставить коэффициент восемь, так как, только две молекулы кислоты идут на процесс окисления меди, а еще шесть молекул азотной кислоты дополнительно расходуются на образование трех молекул соли - нитрата меди:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2О.

Пример 4. Рассмотрим случай, когда Восстановитель (чаще всего кислота) Одновременно выполняет функцию солеобразователя, например, при взаимодействии перманганата калия с концентрированной соляной кислотой. Процесс идет по следующей схеме:

KMnO4 + HCl > MnCl2 + Cl2 + ...

В ионно-молекулярном виде:

K+ + MnO4- + H+ + Cl - > Mn2+ + 2Cl - + Cl2 + ...

Восстановителем являются хлорид-ионы: Cl - > Cl2. Естественно, необходимо удвоить число ионов хлора, тогда в сумме восстановителем будет отдано два электрона:

2Cl - - 2e - > Cl2.

В процессе восстановления перманганат-ионы в кислой среде переходят в катионы марганца (II): MnO4- > Mn2+. Четыре атома кислорода в левой части нужно связать с восемью ионами водорода; тогда в правой части уравнения получится четыре молекулы воды:

MnO4Ї + 8H+ > Mn2+ + 4H2O.

Так как суммарный заряд в левой части уравнения должен быть равен (+2), то наш окислитель будет принимать 5 электронов:

MnO4Ї + 8H+ + 5е - > Mn2+ + 4H2O.

Чтобы уравнять числа отданных и принятых электронов, при суммировании необходимо уравнение процесса окисления умножить на 5, а уравнение процесса восстановления - на 2:

2Cl - - 2e - > Cl2 ¦5

MnO4Ї + 8H+ + 5е - > Mn2+ + 4H2O ¦2

10Cl - + 2MnO4Ї + 16H+ > 5Cl2 + 2Mn2+ + 8H2O.

Из суммарного ионно-молекулярного уравнения видно, что из шестнадцати молекул соляной кислоты, только десять молекул окисляются перманганат-ионом, четыре - идут на образование двух молей соли MnCl2, еще образуются восемь молекул воды:

2KMnO4 + 16 HCl > 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O.

Наконец, после уравнивания ионов калия, видно, что в данном случае образуется еще одна соль - хлорид калия:

2KMnO4 + 16 HCl = 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O + 2KCl.

Пример 5. Иногда В состав восстановителя входят два окисляющихся элемента, например, при окислении концентрированной азотной кислотой сульфида мышьяка (III) по схеме:

As2S3 + HNO3 > H3AsO4 + H2SO4 + NO.

В ходе этого процесса окисляются атомы Мышьяка и атомы Серы: степень окисления мышьяка повышается от (+3) до (+5), степень окисления серы повышается от (- 2) до (+6). Причем, одна молекула сульфида мышьяка превращается в два арсенат-иона и три сульфат-иона:

As2S3 > 2AsO43- + 3SO42-

Источником кислорода, необходимого для образования двух арсенат - и трех сульфат-ионов в кислой среде являются молекулы воды (2Ч4 + 3Ч4 = 20 штук), при этом должно высвободиться 40 ионов водорода:

As2S3 + 20Н 2О > 2AsO43- + 3SO42- + 40Н+.

Суммарный заряд частиц в правой части равен (+28), т. е. восстановителем отдано 28 электронов:

As2S3 + 20Н 2О - 28е - > 2AsO43- + 3SO42- + 40 Н+.

При составлении полуреакции восстановления будем исходить из схемы: NO3- > NO. Избыток кислорода в исходном веществе в кислой среде связывается с ионами водорода и образуется две молекулы воды:

NO3- + 4Н+ > NO + 2Н2О.

Суммарный заряд частиц в левой части полуреакции равен (+3), в правой части - 0; чтобы уравнять заряды обеих частей уравнения, необходимо в левую часть добавить три электрона:

NO3- + 4Н+ + 3е - > NO + 2Н2О.

Перед сложением полуреакций окисления и восстановления, нужно уравнение процесса окисления умножить на три, а уравнение процесса восстановления - на 28:

As2S3 + 20Н 2О - 28е - > 2AsO43- + 3SO42- + 40Н+ ¦3

NO3- + 4Н+ + 3е - > NO + 2Н 2О ¦28

3As2S3 + 60Н 2О + 28NO3- + 112Н+ > 6AsO43- + 9SO42- + 120 Н+ + 28NO + 56Н2О.

Теперь необходимо привести подобные слагаемые в обеих частях уравнения:

3As2S3 + 4Н 2О + 28NO3> 6AsO43- + 9SO42- + 8Н+ + 28NO.

Переходим от ионно-молекулярного уравнения к молекулярному уравнению:

3As2S3 + 28HNO3 + 4Н 2О = 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO.

Похожие статьи




Присоединение кислорода восстановителем в кислой и нейтральной средах происходит за счет молекул воды, при этом образуются ионы водорода: - Окислительно-восстановительные процессы

Предыдущая | Следующая