Комплексные Соединения (792032), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Если известны все исходные вещества и продукты реакции, то, составляя уравнения таких реакций, можно пользоваться методом электронного баланса. Если же участники реакции не очевидны, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса (другое название – метод полуреакций). Использование этого (более сложного) метода оправдано еще и тем, что коэффициенты в уравнениях ОВР, протекающих в растворах, бывают довольно большими,(известна, например, реакция между тремя неорганическими веществами, сумма коэффициентов в уравнении которой равна 8600) и их подбор методом электронного баланса оказывается очень трудоемким.

Рассмотрим метод электронно-ионного баланса на примере реакции диоксида марганца с соляной кислотой (реакция используется в лабораториях для получения хлора).

1. Запишем, какие реально существующие вещества и частицы имеются в нашей химической системе до начала реакции. Составляя этот перечень, обратим внимание на то, что

• из нерастворимых веществ в нашей системе присутствует только MnO₂,

• соляная кислота – кислота сильная, и в растворе нет молекул HCl,

• вода (соляная кислота – раствор хлороводорода в воде), наоборот, практически полностью состоит из молекул..

MnO₂, H₃O , Cl , H₂O

2. Для наглядности выделим окислитель (в данном случае MnO₂), взяв его формулу в прямоугольную рамочку, и восстановитель (в данном случае Cl ) – в овальную рамочку. Подчеркнем ион, определяющий реакцию среды (ион H₃O+ – среда кислотная):

3. Запишем уравнение полуреакции восстановления окислителя. Эта операция разделяется на два этапа. На первом – добиваемся материального баланса (в правой и левой частях уравнения полуреакции – одинаковые атомы в равных количествах), а на втором этапе – зарядового (заряд в правой части уравнения равен заряду в левой).

Известно, что все соединения марганца в кислотной среде, восстанавливаясь, превращаются в ионы марганца(2 ), следовательно

MnO₂ Mn²

В левой части схемы полуреакции присутствуют два " лишних" атома кислорода в степени окисления –II, которые в реакции не меняют своей степени окисления. Поскольку ион O^2A, являясь очень сильным основанием, в водном растворе существовать не может, атомы кислорода в кислотной среде могут быть связаны ионами оксония с образованием молекул воды:

MnO₂ + 4H₃O Mn + 6H₂O

На этом этапе мы достигли материального баланса. Однако заряд в левой части схемы полуреакции не равен заряду в правой части (+4 е и +2 е). Для уравнивания зарядов прибавим в левой части полуреакции 2 электрона. Уравнение полуреакции окислителя готово:

MnO₂ + 4H₃O + 2e^– = Mn + 6H₂O

4. Запишем уравнение полуреакции восстановителя. При этом можно пользоваться следующим правилом: восстановитель обычно окисляется до ближайшей устойчивой в данных условиях степени окисления. Для хлора такой ближайшей степенью окисления будет ноль, следовательно, образуется газообразный хлор:

Cl Cl₂

Материальный баланс достигается в этом случае очень просто:

2Cl Cl₂

Для уравнивания заряда отнимем в левой части полуреакции два электрона:

2Cl –2е^– = Cl₂

5. Запишем теперь оба уравнения полуреакций в виде системы уравнений

MnO₂ + 4H₃O + 2e^– = Mn² + 6H₂O
2Cl –2е^– = Cl₂

В данном случае число отданных электронов равно числу принятых.

6. Если сложить эти два уравнения (в данном случае не домножая на дополнительные множители), то электроны сократятся, и мы получим ионное уравнение реакции.

MnO₂ + 4H₃O + 2Cl = Mn² + 6H₂O + Cl₂

7. Для написания молекулярного уравнения нам придется вернуться к самому началу наших рассуждений и вспомнить, что источником ионов оксония в нашей системе были только молекулы хлороводорода. Следовательно, четыре иона оксония образовались из четырех молекул HCl, а ионы марганца при удалении воды свяжутся с хлоридными ионами, образовав хлорид марганца(II):

MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ +2H₂O + Cl₂

Два " лишних" хлорид-иона, добавленные нами в левой части уравнения, пошли на образование одной формульной единицы хлорида марганца(II). Четыре из шести образовавшихся молекул воды " входили в состав" ионов оксония и поэтому в молекулярном уравнении не учитываются.

Таким образом, алгоритм составления уравнения ОВР методом электронно-ионного баланса таков:

1. Составить перечень веществ и частиц, присутствующих в системе до начала реакции.

2. Найти среди них окислитель и восстановитель; определить реакцию среды.

3. Составить уравнение полуреакции окислителя.

4. Составить уравнение полуреакции восстановителя.

5. Уравнять число принятых и отданных электронов.

6. Составить ионное уравнение.

7. Составить молекулярное уравнение.

Составляя этим методом уравнений ОВР, необходимо учитывать следующие основные правила:

1) при составлении уравнений полуреакций можно использовать только те вещества и частицы, которые присутствуют в данной системе;

2) продуктами полуреакций могут быть только те вещества и частицы, которые устойчивы в данной системе;

3) при составлении уравнения полуреакции окислителя нельзя использовать частицы восстановителя и наоборот, при составлении уравнения полуреакции восстановителя нельзя использовать частицы окислителя.

В рамках так называемой " теории электролитической диссоциации" (устаревшая, но все еще широко применяемая в учебной литературе теория, не учитывающая существование немолекулярных веществ и предполагающая самостоятельное сущесвование ионов водорода), вместо H₃O записывают H . В этом случае процесс составления уравнения выглядит следующим образом

MnO₂ + 4H + 2e^– = Mn² + 2H₂O
2Cl –2е^– = Cl₂
MnO₂ + 4H + 2Cl = Mn² + 2H₂O + Cl₂
MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ +2H₂O + Cl₂

[предыдущий раздел]

[содержание]

[следующий раздел]

18.2. ОВР соединений марганца

Как вы уже знаете, в кислотной, нейтральной или щелочной среде ОВР одних и тех же окислителей и восстановителей часто протекают с образованием различных продуктов реакции. Рассмотрим подробнее окислительно-восстановительные свойства соединений марганца, проявляемые ими в разных условиях.

При проведении ОВР для создания в растворе кислотной среды обычно используют серную кислоту. Азотную кислоту используют крайне редко, так как она сама является сильным окислителем; соляную, бромоводородную и йодоводородную кислоты не используют из-за их способности к окислению. Щелочная среда создается добавлением в раствор гидроксидов натрия или калия.

Для марганца известны соединения, в которых он проявляет все возможные степени окисления: от нуля до +VII. В ОВР, протекающих в растворах, чаще всего участвуют соединения марганца в степенях окисления +II, +IV, +VII и, отчасти, +VI. Соединения марганца(II) проявляют слабо выраженные восстановительные свойства. Соединения, содержащие марганец в степенях окисления +IV, +VI и +VII, – более или менее сильные окислители. Наиболее сильными окислителями являются соединения марганца в степени окисления +VII. Металлический марганец – довольно активный восстановитель.

Условия протекания окислительно-восстановительных превращений для соединений марганца можно представить в виде схемы, приведенной на рисунке 2.

Как видно из приведенной на этом рисунке схемы, перманганат-ион, входящий в состав самого популярного в лабораторной практике окислителя, KMnO₄, в различных средах восстанавливается по-разному. В наибольшей степени окислительные свойства перманганат калия проявляет в кислотной среде, в несколько меньшей – в нейтральной и в наименьшей степени – в щелочной. Рассмотрим эти случаи на конкретных примерах.

Пример 1. Составьте уравнение реакции, протекающей при пропускании диоксида серы через подкисленный серной кислотой раствор перманганата калия.

Для составления уравнения воспользуемся методом электронно-ионного баланса.

1 и 2.

При составлении уравнений ОВР наличием в растворе гидросульфатных ионов обычно пренебрегают. (Наличием ионов HSO₄ нельзя пренебрегать при составлении уравнений ОВР типа взаимодействия концентрированной H₂SO₄ с NaBr (среди прочего образуется NaHSO₄), но уравнения этих реакций составляют, используя метод электронного балланса.)

3 – 5. В кислотной среде ион MnO₄ восстанавливается до иона Mn² . " Лишние" атомы кислорода(–II) свяжутся ионами H₃O с образованием воды. Диоксид серы в присутствии сильных окислителей проявляет восстановительные свойства. При этом сера(IV) окисляется до ближайшей устойчивой степени окисления, то есть, до степени окисления +VI. Нетрудно убедиться, что единственной частицей, содержащей серу(VI) и устойчивой в водном растворе, будет сульфатный ион (действительно, SO₃ в водном растворе образоваться не может, так как реагирует с водой, давая H₂SO₄; молекулы серной кислоты (сильная кислота) в разбавленном водном растворе также не модут образоваться). Недостающие атомы кислорода(–II) могут быть " позаимствованы" у молекул воды с образованием ионов оксония, что в кислотной среде вполне допустимо

2	MnO4 + 8H3O + 5e– = Mn2 + 12H2O
5	SO2 + 6H2O – 2e– = SO42 + 4H3O

6. После умножения каждого из уравнений полуреакций на соответствующие множители, сложения уравнений и приведения подобных членов получаем ионное уравнение.

2MnO₄ + 5SO₂ + 6H₂O = 2Mn² + 5SO₄² + 4H₃O

7. Добавив в левой части уравнения необходимое количество противоионов и не забывая о них при написании формул продуктов реакции, запишем молекулярное уравнение:

2KMnO₄ + 5SO₂ + 2H₂O = 2MnSO₄ + 2H₂SO₄ + K₂SO₄

Из уравнения видно, что серная кислота, которая по смыслу задания должна была вступить в реакцию, в действительности в реакцию не вступает, а, наоборот, в процессе реакции выделяется, то есть добавлена в раствор только как средообразователь. Но это скорее исключение, чем правило. Убедимся в этом на другом примере.

Характеристики

Список файлов учебной работы