Номер 9, страница 79 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава II. Химические реакции. Параграф 14. Окислительно-восстановительные реакции. Используйте дополнительную информацию - номер 9, страница 79.

Условие.

9. Познакомьтесь с методом полуреакций для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Предложите алгоритм применения этого метода и проиллюстрируйте его примерами.

Решение.

Решение 2.

Метод полуреакций, также известный как ионно-электронный метод, является одним из наиболее универсальных способов уравнивания окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Его суть заключается в разделении общего процесса ОВР на два отдельных процесса: окисление и восстановление. Каждый из этих процессов, называемых полуреакциями, уравнивается поатомно и по заряду, после чего они суммируются для получения сбалансированного итогового уравнения. Этот метод особенно удобен для реакций, протекающих в водных растворах (в кислой, щелочной или нейтральной среде), так как он наглядно учитывает участие ионов $H^+$, $OH^-$ и молекул воды $H_2O$.

Алгоритм применения метода полуреакций

1. Записать схему реакции в ионном виде, включая только те частицы, которые изменяют свою степень окисления, а также ионы среды ($H^+$ или $OH^-$) и воду $H_2O$.
2. Определить степени окисления элементов, чтобы выявить окислитель и восстановитель.
3. Составить две полуреакции: одну для процесса окисления, другую — для процесса восстановления.
4. Уравнять количество атомов каждого элемента (кроме H и O) в обеих полуреакциях.
5. Уравнять атомы кислорода (O) и водорода (H):
   • В кислой и нейтральной среде: для уравнивания атомов кислорода в ту часть уравнения, где их не хватает, добавляют молекулы воды ($H_2O$). Затем для уравнивания атомов водорода в противоположную часть добавляют ионы водорода ($H^+$).
   • В щелочной среде: для уравнивания атомов кислорода в ту часть, где их не хватает, добавляют молекулы воды ($H_2O$). Затем для уравнивания атомов водорода в ту часть, где их не хватает, добавляют молекулы воды ($H_2O$), а в противоположную часть — такое же количество гидроксид-ионов ($OH^-$).
6. Уравнять заряды в каждой полуреакции, добавляя электроны ($e^−$). В полуреакции окисления электроны будут продуктом, в полуреакции восстановления — реагентом.
7. Подобрать множители для каждой полуреакции так, чтобы число электронов, отданных в процессе окисления, было равно числу электронов, принятых в процессе восстановления.
8. Сложить две полуреакции. Сократить одинаковые частицы (в первую очередь электроны) по обе стороны уравнения.
9. Проверить баланс атомов и зарядов в итоговом ионном уравнении. При необходимости перевести ионное уравнение в молекулярную форму, добавив противоионы.

Иллюстрация метода на примерах

Пример 1. Реакция в кислой среде: перманганат калия и соляная кислота.

Схема реакции: $KMnO_4 + HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + KCl + H_2O$.

1. Запишем сокращенное ионное уравнение. В реакции участвуют ионы $MnO_4^-$ (из $KMnO_4$) и $Cl^-$ (из $HCl$), которые превращаются в $Mn^{2+}$ (из $MnCl_2$) и $Cl_2$. Реакция идет в кислой среде (избыток $HCl$).

Схема: $MnO_4^- + Cl^- \rightarrow Mn^{2+} + Cl_2$.

2. Определим степени окисления: $Mn^{+7}$ в $MnO_4^-$ переходит в $Mn^{+2}$. $Cl^{-1}$ переходит в $Cl_2^0$.

Процесс восстановления: $Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ (окислитель).

Процесс окисления: $2Cl^{-1} - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$ (восстановитель).

3. Составим и уравняем полуреакции.

Полуреакция восстановления:

$MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+}$

Уравниваем кислород, добавляя $4H_2O$ справа: $MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$.

Уравниваем водород, добавляя $8H^+$ слева: $8H^+ + MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$.

Уравниваем заряд. Слева: $8(+1) - 1 = +7$. Справа: $+2$. Добавляем $5e^-$ слева: $5e^- + 8H^+ + MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$.

Полуреакция окисления:

$Cl^- \rightarrow Cl_2$

Уравниваем атомы хлора: $2Cl^- \rightarrow Cl_2$.

Уравниваем заряд. Слева: $-2$. Справа: $0$. Добавляем $2e^-$ справа: $2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^-$.

4. Находим множители, чтобы уравнять число электронов. Наименьшее общее кратное для 5 и 2 это 10. Умножаем полуреакцию восстановления на 2, а окисления — на 5.

$2 \times (5e^- + 8H^+ + MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O)$

$5 \times (2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^-)$

Получаем:

$10e^- + 16H^+ + 2MnO_4^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 8H_2O$

$10Cl^- \rightarrow 5Cl_2 + 10e^-$

5. Суммируем полуреакции и сокращаем электроны:

$10e^- + 16H^+ + 2MnO_4^- + 10Cl^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 8H_2O + 5Cl_2 + 10e^-$

Итоговое ионное уравнение:

$16H^+ + 2MnO_4^- + 10Cl^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 5Cl_2 + 8H_2O$

6. Переведем в молекулярную форму. Исходные вещества $KMnO_4$ и $HCl$. Ионы $K^+$ и часть ионов $Cl^-$ не участвовали в ОВР. Собираем уравнение:

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + 8H_2O$.

Проверка показывает, что и атомы, и заряды сбалансированы.

Ответ: Ионное уравнение: $16H^+ + 2MnO_4^- + 10Cl^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 5Cl_2 + 8H_2O$. Молекулярное уравнение: $2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + 8H_2O$.

Пример 2. Реакция в щелочной среде: перманганат калия и сульфит калия.

Схема реакции: $KMnO_4 + K_2SO_3 + KOH \rightarrow K_2MnO_4 + K_2SO_4 + H_2O$.

1. Запишем сокращенное ионное уравнение. Участвуют ионы $MnO_4^-$, $SO_3^{2-}$. Продукты: $MnO_4^{2-}$ (манганат-ион), $SO_4^{2-}$. Среда щелочная ($KOH$).

Схема: $MnO_4^- + SO_3^{2-} \rightarrow MnO_4^{2-} + SO_4^{2-}$.

2. Определим степени окисления: $Mn^{+7}$ в $MnO_4^-$ переходит в $Mn^{+6}$ в $MnO_4^{2-}$. $S^{+4}$ в $SO_3^{2-}$ переходит в $S^{+6}$ в $SO_4^{2-}$.

Процесс восстановления: $Mn^{+7} + 1e^- \rightarrow Mn^{+6}$ (окислитель).

Процесс окисления: $S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ (восстановитель).

3. Составим и уравняем полуреакции.

Полуреакция окисления:

$SO_3^{2-} \rightarrow SO_4^{2-}$

Уравниваем кислород. Слева 3 атома O, справа 4. В щелочной среде добавляем $H_2O$ слева и $OH^-$ справа. Чтобы добавить 1 атом O, нужно добавить $2OH^-$ слева и $1H_2O$ справа.

$SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O$.

Проверяем атомы: S(1:1), O(3+2=5 : 4+1=5), H(2:2). Все сбалансировано.

Уравниваем заряд. Слева: $-2 + 2(-1) = -4$. Справа: $-2$. Добавляем $2e^-$ справа: $SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O + 2e^-$.

Полуреакция восстановления:

$MnO_4^- \rightarrow MnO_4^{2-}$

Атомы Mn и O уже сбалансированы.

Уравниваем заряд. Слева: $-1$. Справа: $-2$. Добавляем $1e^-$ слева: $e^- + MnO_4^- \rightarrow MnO_4^{2-}$.

4. Уравниваем число электронов. Умножаем полуреакцию восстановления на 2.

$1 \times (SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O + 2e^-)$

$2 \times (e^- + MnO_4^- \rightarrow MnO_4^{2-})$

Получаем:

$SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O + 2e^-$

$2e^- + 2MnO_4^- \rightarrow 2MnO_4^{2-}$

5. Суммируем полуреакции:

$SO_3^{2-} + 2OH^- + 2e^- + 2MnO_4^- \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O + 2e^- + 2MnO_4^{2-}$

Итоговое ионное уравнение:

$2MnO_4^- + SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow 2MnO_4^{2-} + SO_4^{2-} + H_2O$.

6. Переведем в молекулярную форму, добавляя ионы $K^+$:

$2KMnO_4 + K_2SO_3 + 2KOH \rightarrow 2K_2MnO_4 + K_2SO_4 + H_2O$.

Проверка показывает, что все атомы сбалансированы.

Ответ: Ионное уравнение: $2MnO_4^- + SO_3^{2-} + 2OH^- \rightarrow 2MnO_4^{2-} + SO_4^{2-} + H_2O$. Молекулярное уравнение: $2KMnO_4 + K_2SO_3 + 2KOH \rightarrow 2K_2MnO_4 + K_2SO_4 + H_2O$.