Одним из самых трудных заданий для учащихся и студентов является составление окислительно-восстановительных реакций. Используют для этого два метода: ионно-электронный метод и метод электронного баланса. Второй метод очень часто используется в школьной программе для расстановки коэффициентов. Этот метод мало применим для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций в органической химии. Ионно-электронный метод позволяет составлять сложные уравнения реакций с точным указанием продуктов реакции.
Поэтому, остановлюсь на первом методе. Этот метод оперирует реальными частицами, которые присутствуют в реакционной системе. Окислительно-восстановительные реакции в растворах протекают в одной из сред: кислой, щелочной, нейтральной.
Сам окислительно-восстановительный процесс сопровождается изменением количества кислорода в реагирующей частице. Могут быть два случая: количество кислорода возрастает или убывает или остается неизменным.
Таблица.
| Изменение количества кислорода |
Реакция среды |
Схема реакции |
| Возрастает |
Кислая |
В кислой среде источником кислорода являются молекулы воды:
Н2О–>О-2+2Н+ |
| Нейтральная |
В нейтральной среде источником кислорода также является вода
Н2О–>О-2+2Н+ |
| Щелочная |
Источник кислорода являются – гидроксогруппы OH-. Две гидроксогруппы выделяют один кислород, образуя при этом воду.
2ОН-–>О-2+Н2О |
| Убывает |
Кислая |
Кислород, который освобождается при реакции, соединяется с ионами водорода, образуя воду.
О-2+2Н+–>Н2О |
| Нейтральная |
Освобождающийся кислород соединяется с молекулами воды с образованием гидроксогрупп:
О-2+Н2О–>2ОН-
|
| Щелочная |
Как и в нейтральной среде О-2+Н2О–>2ОН-
|
Рассмотрим на примере окисления этилена водным раствором KMnO4
1. Запишем схему реакции, указывая исходные вещества и продукты реакции, учитывая то, что ион MnO-4в нейтральной среде превращается в оксид марганца (IV) MnO2, а этилен в этиленгликоль
2. Неизвестный продукт или продукты выявим позднее.
Составим уравнения реакции в ионных-формах для процессов окисления и восстановления:
а) окисление
Из схемы видно, что количество атомов кислорода увеличилось. Так как реакция протекает в нейтральной среде, то источником кислорода является вода, точнее молекулы воды Н2О–>О-2+2Н+(см. таблицу).
Составляем ионные уравнения для процессов окисления и восстановления, последовательно анализируя происходящие с реагирующими частицами изменения. В данном случае число кислорода в молекуле увеличилось на два, следовательно перед водой ставим коэффициент 2.
Находим число электронов, принимавших участие в данном превращении. Заряд исходных частиц равен "0", продуктов реакции-"+2". Следовательно было отдано 2 электрона.
б) восстановление MnO-4->MnO2
При протекании реакции в нейтральной среде, кислород, освобождающийся в реакции присоединяется к воде О-2+Н2О–>2ОН-. Одна молекула воды присоединяетодин кислород, а в данном процессе количество кислорода уменьшается на 2 атома, следовательно для восстановления 1 моль перманганат-иона потребуется 2 молекулы воды.
MnO4- + 2H2O —> MnO2 + 4OH-
Подсчитаем суммарные заряды в левой и правой частях. В левой части заряд равен "-1", в правой "-4". Следовательно было присоединено 3 электрона. Запишем суммарное уравнение процесса.
Прцесс окисления-восстановления сопровождается перемещением электронов. Должен соблюдаться правило "число отданных электронов равно числу принятых"
В нашем случае в процессе окисления принимает участиет 2 электрона, в процессе восстановления – 3. Уравняем число электронов, найдя наименьшее общее кратное для 2 и 3, Это будет число 6, разделим его на число электронов в процессах. Получаем коэффициенты 3 и 2.
Суммируем эти два процесса с учетом коэффициентов, получим результат
Справа в уравнении реакции имеются 6 ионов водорода Н+и 8 гидроксогрупп ОН-. Они образуют 6 молекул воды и две гидроксогруппы остаются. Сокращаем 6 молекул воды справа и 6 молекул-в левой части. Получим
В растворе присутствуют ионы калия К+, которые не принимали участия в реакции. Они-то и образуют с гидроксогруппой щелочь КОН.
Окончательно уравнение реакции
