Хімія. 9 клас. Гранкіна

§ 16. СКЛАДАННЯ РІВНЯНЬ ОКИСНО-ВІДНОВНИХ РЕАКЦІЙ, ЇХНЄ ЗНАЧЕННЯ

— Над чим ти так довго думаєш?

— Намагаюся зрівняти рівняння:

HCl + KMnO4 → Cl2 + KCl + MnCl2 + H2O

Ніяк не виходить!

— Так, складно... Але рішення є. Треба знати метод електронного балансу! Зараз ми його будемо вивчати.

Окисно-відновні реакції можуть бути дуже складними, і їх не завжди вдається швидко зрівняти, просто підбираючи коефіцієнти. Тому існує кілька методів, які дозволяють швидко й правильно зрівняти рівняння реакцій.

У школі використовують метод електронного балансу.

• Цей метод ґрунтується на законі збереження речовини: у процесі окисно-відновної реакції кількість електронів, відданих відновником, має дорівнювати кількості електронів, прийнятих окисником. Процеси окиснення й відновлення взаємозалежні й відбуваються одночасно в ході реакції.

Розберемо підбір коефіцієнтів у рівнянні методом складання електронного балансу.

Приклад. Доберіть коефіцієнти в рівнянні реакції окиснення кальцію киснем, використовуючи метод електронного балансу.

1) Спочатку записуємо схему реакції:

Ca + O2 CaO

2) Над символами хімічних елементів запишемо значення ступенів окиснення:

Не забудьте, що у простих речовинах ступінь окиснення дорівнює 0.

3) Тепер складаємо електронний баланс.

Для цього виписуємо елементи, які змінили свій ступінь окиснення:

У рівняннях електронного балансу двохатомні молекули простих речовин записують з індексом 2, як, наприклад, кисень (O2), отже, з іншої сторони рівняння слід поставити коефіцієнт 2 для зрівнювання кількості атомів Оксигену.

• Формули простих речовин, які записують з індексом 2, у баланс переносять із цим індексом (це гази й галогени: H2, O2, N2, F2, Cl2, Br2, I2, At2). Індекси у формулах складних речовин у баланс не переносять.

4) Ступінь окиснення Кальцію під час хімічної реакції підвищується, це процес окиснення, тому у випадку схеми Ca0 ... → Ca+2 зліва слід написати -2e. Можна при цьому розмірковувати так: 0 - (-2e) = 0 + 2 = +2, де 0 — ступінь окиснення атома Кальцію, а +2 — набутий ступінь окиснення Кальцію. Або прийняти рішення, розглянувши числову вісь (див. попередній параграф). Одержуємо одне з рівнянь балансу:

Ca0 - 2e → Ca+2

5) У випадку схеми O02 ... → 2O-2 ступінь окиснення Оксигену знижується, це процес відновлення. Справа сумарний заряд атомів Оксигену дорівнює 2 · (-2) = -4, отже, зліва слід написати +4e. Перевіримо: 0 + (-4) = 0 - 4 = -4, де 0 — ступінь окиснення Оксигену, а отримані -4 — набутий сумарний заряд Оксигену:

O02 + 4e → 2O-2

6) У підсумку виходить запис електронного балансу:

Ca0 - 2e → Ca+2

Ca0 — відновник, він віддає електрони в процесі окиснення

O02 + 4e → 2O-2

O02 — окисник, він приймає електрони в процесі відновлення.

— Зрозуміло, чому це метод електронного балансу. Ми ніби балансуємо електронами — додаємо та віднімаємо.

7) Кількість відданих і прийнятих електронів має бути однаковою! Електрони з нізвідки не беруться й не зникають у нікуди. Тому будемо зрівнювати кількість електронів у балансі з допомогою множників. Отже, 2 електрони віддано, 4 прийнято. Очевидно, щоби зрівняти кількість відданих і прийнятих електронів, рівняння Ca0 - 2e → Ca+2 слід помножити на 2.

Ca0 - 2e → Ca+2 2

О02 + 4e → 2O-2 1

8) Врахуйте, що на 2 помножуємо все рівняння, а отже, збільшуємо не тільки кількість електронів, але й кількість атомів Кальцію, які беруть участь у реакції. Тому множник 2 буде коефіцієнтом у молекулярному рівнянні реакції перед речовинами, які містять елемент Кальцій.

Після того як у рівнянні було поставлено коефіцієнти, що дорівнюють множникам у балансі (2 перед Ca і CaO), слід перевірити правильність розміщення коефіцієнтів.

Остаточне рівняння з електронним балансом виглядає так:

2Ca + O2 = 2CaO

Не всі коефіцієнти в рівнянні ставлять виходячи тільки з електронного балансу. Зазвичай потрібно ще додати коефіцієнти для зрівнювання атомів тих елементів, які не обмінювалися електронами.

Так само записують баланс і розставляють коефіцієнти й у більш складних рівняннях реакцій.

Давайте розглянемо приклад:

HCl + KMnO4 → KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O

1. Визначимо ступені окиснення елементів у всіх речовинах, що беруть участь у реакції:

2. Манган змінив заряд із +7 на +2, прийняв 5 електронів — він окисник.

Хлор змінив заряд з -1 на 0, віддав 2 електрони (у реакції беруть участь 2 атоми Хлору, тому 2 електрони) — він відновник.

3. Записуємо рівняння балансу:

Mn+7 + 5e → Mn+2

2Cl-1 - 2e → Cl02

4. Зрівняємо кількість відданих і прийнятих електронів за допомогою множників:

5. Розставимо коефіцієнти в рівнянні реакції. У першу чергу поставимо 2 перед формулами речовин, які містять Mn (KMnO4 і MnCl2).

?HCl + 2KMnO4 ?KCl + 2MnCl2 + ?Cl2 + H2O

Зверніть увагу, що атоми Cl зліва містяться в одній речовині (HCl), а справа — у трьох (KCl, MnCl2, Cl2).

Куди ж поставити коефіцієнт? Зрівнювати потрібно починати з тієї сторони, де більше речовин, або з тієї сторони, де є проста речовина. Завжди коефіцієнт ставлять перед формулою, в якій є атоми, що змінюють ступінь окиснення. У нашому випадку це коефіцієнт 5 справа перед Cl2:

?HCl + 2KMnO4 ?KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + H2O

6. Продовжуємо зрівнювати. Тепер, коли поставлено коефіцієнти, які було визначено балансом, продовжуємо зрівнювати атоми елементів у такому порядку:

Першим ставимо коефіцієнт 2 перед KCl — кількість йонів Калію зрівняно. Тепер рахуємо всі атоми Хлору справа (їх там більше) — виходить 16. Ставимо коефіцієнт 16 перед HCl зліва. Кількість атомів Хлору зрівняно. Тепер Гідроген: зліва 16, справа потрібний коефіцієнт 8 перед H2O.

Рахуємо атоми Оксигену зліва і справа. Вийшло по 8.

Перевіримо правильність розміщення коефіцієнтів:

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

Ура! Усе зрівняно.

Завдання. Розставте коефіцієнти в окисно-відновній реакції з допомогою електронного балансу:

H2S + HNO3 → H2SO4 + NO2 + H2O

Відповідь дивіться наприкінці параграфа.

ЗНАЧЕННЯ ОКИСНО-ВІДНОВНИХ ПРОЦЕСІВ

— Просте питання: навіщо ми дихаємо? І ще одне: навіщо ми їмо?

— Щоби жити...

— Щоби кров кисень переносила...

— Їмо тому, що хочеться...

— Так усі дихають і їдять! І ми теж...

— Ці відповіді годяться для дітей із дитячого садочка. Пояснюю: кисень, який міститься у повітрі, що вдихаємо (а його там 21 % за об'ємом, якщо хтось забув), є окисником у численних окисно-відновних реакціях, які відбуваються в нашому організмі. Зокрема, з допомогою цих реакцій частина органічних молекул, які надійшли в наш організм як їжа, окиснюються в мітохондріях з утворенням необхідної енергії. І це відбувається в усіх живих організмах.

Окисно-відновні процеси — одні з найважливіших процесів природи. До них належать основні процеси життєдіяльності — дихання й обмін речовин у живих організмах, гниття й шумування, фотосинтез у зелених частинах рослин (рис. 35).

Рис. 35. Окисно-відновні процеси в природі

У кожній клітині живих організмів безперервно відбуваються окисно-відновні реакції, завдяки яким утворюється енергія.

Кругообіг елементів у природі також містить окисно-відновні процеси, які відбуваються в живій і неживій природі. Наприклад, процеси корозії (руйнування) металів, усі процеси горіння, зв'язування атмосферного азоту під час грозових розрядів і багато чого іншого.

У промисловості до цих реакцій належать основні процеси чорної й кольорової металургії, видобуток металів, кислот, лугів, амоніаку, електрохімічне виробництво, наприклад покриття сталі іншими металами — нікелем, хромом — для попередження корозії.

З допомогою окисно-відновних реакцій можна одержати не тільки теплову енергію, але й електричну. Приклад — гальванічні елементи, або, простіше, батарейки.

Очищення різних речовин, природних і стічних вод, вихлопних газів і т. д. ґрунтується на цих реакціях. Усе просто неможливо перелічити, а ми ще не згадали харчову промисловість, медицину, побутову хімію, виробництво барвників, органічні й неорганічні синтези в лабораторіях...

ВІДПОВІДЬ НА ЗАВДАННЯ ПАРАГРАФА

H2S + 8HNO3 = H2SO4 + 8NO2 + 4H2O

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

  • 217. Наведіть приклади окисно-відновних процесів, укажіть у них окисник і відновник.
  • 218. Розташуйте за посиленням окисних властивостей прості речовини: йод, фтор, бром, хлор.
  • 219. Розташуйте за посиленням відновних властивостей прості речовини: магній, фосфор, алюміній, сірка.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

220. Зрівняйте методом електронного балансу такі схеми, укажіть окисник і відновник, процеси відновлення та окиснення:

  • а) HCl + Zn → ZnCl2 + H2
  • б) N2 + H2 → NH3
  • в) Fe2O3 + H2 → Fe + H2O
  • г) Cu(NO3)2 → CuO + NO2 + O2

221. Зрівняйте з допомогою методу електронного балансу рівняння реакцій, укажіть окисник та відновник, процеси окиснення й відновлення:

  • а) H2 + Br2 HBr
  • б) KClO3 → KCl + O2
  • в) HNO2 → HNO3 + NO + H2O
  • г) Pb(NO3)2 → PbO + NO2 + O2

222. Складіть електронний баланс і розставте коефіцієнти в таких окисно-відновних процесах:

  • а) виверження вулкана з утворенням сірки:

H2S + O2 → H2O + S

H2S + SO2 → H2O + S

  • б) зв'язування атмосферного азоту киснем під час грозових розрядів:

N2 + O2 NO

NO + O2 → NO2

NO2 + H2O → HNO3 + HNO2

  • в) потемніння срібних предметів:

Ag + H2S + O2 → Ag2S + H2O

  • г) знезаражування овочесховищ:

H2S + O2 S + H2O

S + O2 → SO2

  • д) відновлення заліза з його оксиду (виплавка чавуну):

Fe2O3 + C → Fe + CO2

Fe2O3 + CO → Fe + CO2

223. Напишіть рівняння реакції між простими речовинами, утвореними елементами, електронні формули атомів яких мають таке закінчення: ...4s1 і ...3s23p4. Укажіть окисник і відновник, покажіть перехід електронів.

Для допитливих

224. Підберіть коефіцієнти в рівняннях окисно-відновних реакцій.

  • а) FeCl2 + KMnO4 + HCl → FeCl3 + Cl2 + MnCl2 + KCl + H2O
  • б) KNO2 + KI + H2SO4 → I2 + NO + K2SO4 + H2O
  • в) KMnO4 + NO + H2SO4 → MnSO4 + NO2 + K2SO4 + H2O

225. Який об'єм гідроген сульфіду, виміряний за нормальних умов, прореагує з розчином масою 150 г, масова частка йоду в якому становить 2 %. У результаті реакції утворюється сірка.

226. Ортофосфатну кислоту можна одержати способом Марграффа з фосфору:

P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO

Застосувавши метод електронного балансу, доберіть коефіцієнти в рівнянні цієї окисно-відновної реакції.

227. Якось, закриваючи аптеку, аптекар Куртуа вирішив вигнати кішку на вулицю. Перелякана кішка стрибнула з полиці й перекинула склянку з концентрованою сульфатною кислотою. Склянка впала, розбилася, кислота пролилася на попіл з водоростей (водорості містять калій йодид). Здивований аптекар відразу побачив фіолетовий дим. Яку речовину відкрив Куртуа? Застосувавши метод електронного балансу, підберіть коефіцієнти в рівнянні цієї окисно-відновної реакції:

KI + H2SO4(конц.) → ... + Н2S + K2SO4 + H2O

У відповіді вкажіть загальну кількість відданих електронів.

228. Безбарвний отруйний газ із запахом тухлих яєць (1) згоряє в безбарвному газі (2), який важче гелію у 8 разів. У результаті реакції утворюється газоподібна речовина (3) без кольору із запахом паленої сірки, яку потім каталітично окиснюють, і утворюється безбарвна рідина (4). Визначте речовини в зазначеній вище послідовності:

  • а) сульфур(VІ) оксид;
  • б) гідроген сульфід;
  • в) сульфур(IV) оксид;
  • г) кисень.

Напишіть рівняння всіх реакцій, укажіть окисно-відновні, зрівняйте їх з допомогою електронного балансу.

229. Юного хіміка мати попросила вимити посуд. Звичайно, він із радістю погодився, але вирішив застосовувати свої знання з хімії й у цій справі. Він обробив брудні тарілки розчином калій перманганату KMnO4. У результаті рештки їжі на тарілках зруйнувалися, але при цьому утворилися темно-коричневі плями. «Це мaнган(IV) оксид, — вирішив юний хімік, — але з ним-то я легко впораюся, от тільки загляну до аптечки й візьму розчин перекису водню». Які окисно-відновні реакції тут відбувалися?

230. У домашній аптечці в кожного з вас напевно є розчини йоду й гідроген пероксиду (перекис водню). Чому ці препарати використовують для знезаражування ран?

Обґрунтуйте свою відповідь.