— Над чим ти так довго думаєш?
— Намагаюся зрівняти рівняння:
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:
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 окис-нення:
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 -2е. 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:
5) У випадку схеми
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:
6) У підсумку виходить запис електронного балансу:
— 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
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:
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:
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:
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).
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:
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:
Ура! Усе зрівняно.
Завдання. Розставте коефіцієнти в окисно-відновній реакції з допомогою електронного балансу:
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).
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.
Рис. 35. Окисно-відновні процеси в природі
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
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:
221. Зрівняйте з допомогою методу електронного балансу рівняння реакцій, укажіть окисник та відновник, процеси окиснення й відновлення:
222. Складіть електронний баланс і розставте коефіцієнти в таких окисно-відновних процесах: а) виверження вулкана з утворенням сірки:
б) зв’язування атмосферного азоту киснем під час грозових розрядів:
в) потемніння срібних предметів:
г) знезаражування овочесховищ:
д) відновлення заліза з його оксиду (виплавка чавуну):
223. Напишіть рівняння реакції між простими речовинами, утвореними елементами, електронні формули атомів яких мають таке закінчення: ...4s1 і ...3s23 p4. Укажіть окисник і відновник, покажіть перехід електронів.
Для допитливих
224. Підберіть коефіцієнти в рівняннях окисно-відновних реакцій.
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:
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:
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^І) оксид; в) сульфур(^) оксид;
б) гідроген сульфід; 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 манган(^) 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.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Гранкіна