Преподаватели, следуя базовой учебной программе, вольны самостоятельно выбирать материал, который имеет смысл дать учащимся в качестве дополнительного. Если касаться школьной химии, то здесь можно назвать упомянутое мной неоднократно в других публикациях «правило креста» и решение задач с его использованием. К такой же категории факультативных навыков относится и метод полуреакций – способ подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных процессов, протекающих в водных растворах. На мой взгляд, он является более продвинутым по сравнению с обязательно изучающимся в школьном курсе методом электронного баланса, а кроме этого помогает настроить мышление так, чтобы кое-какой материал из вузовской программы (на случай вероятного поступления учащегося на химический факультет) был воспринят легче, но при этом полнее и глубже.
Доводам в пользу высказанных тезисов посвящена серия из четырёх заметок. Открывает её предлагаемая вашему вниманию публикация с разбором рядовой задачи, которая будет решена с использованием метода полуреакций и с объяснениями, аналогичными применявшимся мной, когда я занимался репетиторством.
Типовая задача с использованием метода полуреакций
Рассмотрим реакцию окисления сульфита натрия перманганатом калия в водном растворе, подкисленном серной кислотой:
Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ → ...
Сразу следует сказать о том, что каждый из участников реакции в водной среде диссоциирует на ионы:
Na₂SO₃ ⇄ 2Na⁺ + SO₃²⁻
KMnO₄ ⇄ K⁺ + MnO₄⁻
H₂SO₄ ⇄ 2H⁺ + SO₄²⁻
Начнём с составления уравнения первой полуреакции, соответствующей собственно окислению сульфита SO₃²⁻. В данном ионе сера со степенью окисления +4 переходит в состояние +6, давая в итоге сульфат-ион:
SO₃²⁻ → SO₄²⁻
В левой части схемы у нас всего три атома кислорода, а в правой – четыре. Недостающий атом может быть взят из молекулы воды (реакция же протекает в водном растворе):
SO₃²⁻ + H₂O → SO₄²⁻
В этом случае слева у нас появляются ещё два атома водорода, которые также должны быть представлены и в правой части. Их нехватку можно компенсировать, приписав там два водородных иона:
SO₃²⁻ + H₂O → SO₄²⁻ + 2H⁺
Числа атомов по обеим сторонам мы уравняли, однако суммарный электрический заряд частиц слева равен –2, а справа 0 ( (–2) + 2·(+1) ). Чтобы выровнять и его, отнимем в левой части 2 электрона (то есть два отрицательных единичных заряда) и получим в итоге уравнение полуреакции окисления:
SO₃²⁻ + H₂O – 2e⁻ = SO₄²⁻ + 2H⁺
Займёмся теперь вторым – уравнением полуреакции восстановления. Перманганат-ион в кислой водной среде восстанавливается до двухзарядного катиона марганца:
MnO₄⁻ → Mn²⁺
Четыре атома кислорода в перманганат-ионе слева должны войти в состав какого-нибудь соединения в правой части. Как легко догадаться, на эту роль лучше всего подходит вода:
MnO₄⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
Теперь в правой части появились ещё и восемь атомов водорода. Так как процесс идёт в кислой среде, то уравнять водороды можно приписав в левую часть соответствующие ионы:
MnO₄⁻ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O
Атомы уравнены, но суммарный электрический заряд в левой части схемы составляет +7 ( (–1) + 8·(+1) ), а в правой +2, поэтому добавим к левой части недостающие для этого 5 электронов (пять отрицательных зарядов) и будем иметь уравнение второй полуреакции:
MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ = Mn²⁺ + 4H₂O
Для удобства запишем их вместе, друг под другом:
В окислительно-восстановительных реакциях число отданных восстановителем электронов должно быть равно числу электронов, принятых окислителем. Чтобы согласовать одно с другим, найдём общее кратное чисел 2 (отданные электроны) и 5 (принятые электроны). Это 10:
Чтобы баланс выполнялся, необходимо коэффициенты в уравнении полуреакции окисления увеличить в 10 : 2 = 5 раз, а коэффициенты в уравнении полуреакции восстановления – в 10 : 5 = 2 раза:
В этом случае уравнения стали бы выглядеть так:
5SO₃²⁻ + 5H₂O – 10e⁻ = 5SO₄²⁻ + 10H⁺
2MnO₄⁻ + 16H⁺ + 10e⁻ = 2Mn²⁺ + 8H₂O
Сложим вместе соответственно их левые и правые части, учтя, что –10e⁻ и +10e⁻ сразу «уничтожатся»:
Теперь обратим внимание, что в левой части уравнения получилось пять молекул воды, а в правой – восемь:
5SO₃²⁻ + 5H₂O + 2MnO₄⁻ + 16H⁺ = 5SO₄²⁻ + 10H⁺ + 2Mn²⁺ + 8H₂O
Это означает, что из обеих частей можно «выкинуть» по 5 H₂O (в правой части при этом останутся 8 – 5 = 3 молекулы воды), как не участвующие в реакции:
5SO₃²⁻ + 2MnO₄⁻ + 16H⁺ = 5SO₄²⁻ + 10H⁺ + 2Mn²⁺ + 3H₂O
Аналогичная ситуация складывается и с катионами водорода, слева их 16, а справа 10:
5SO₃²⁻ + 2MnO₄⁻ + 16H⁺ = 5SO₄²⁻ + 10H⁺ + 2Mn²⁺ + 3H₂O
Убираем там и там лишние и получаем:
5SO₃²⁻ + 2MnO₄⁻ + 6H⁺ = 5SO₄²⁻ + 2Mn²⁺ + 3H₂O
По сути это уже готовое уравнение реакции, представленное в ионной форме, однако результат задачи на расстановку коэффициентов принято записывать в молекулярном виде. Для этого прибавим сначала к обеим частям уравнения по 10 катионов натрия:
5SO₃²⁻ + 2MnO₄⁻ + 6H⁺ = 5SO₄²⁻ + 2Mn²⁺ + 3H₂O / +10Na⁺
В соответствии с приведённой выше схемой диссоциации, в левой части из добавочных ионов можно составить пять «молекул» (формульных единиц) сульфита, а в правой – сульфата:
5Na₂SO₃ + 2MnO₄⁻ + 6H⁺ = 5Na₂SO₄ + 2Mn²⁺ + 3H₂O
Теперь добавим по два катиона калия:
5Na₂SO₃ + 2MnO₄⁻ + 6H⁺ = 5Na₂SO₄ + 2Mn²⁺ + 3H₂O / +2K⁺
Это позволит в левой части получить 2 «молекулы» перманганата:
5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 6H⁺ = 5Na₂SO₄ + 2Mn²⁺ + 2K⁺ + 3H₂O
Так как слева остались ещё катионы водорода, то завершающим этапом будет добавление трёх сульфат-ионов:
5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 6H⁺ = 5Na₂SO₄ + 2Mn²⁺ + 2K⁺ + 3H₂O / +3SO₄²⁻
Благодаря им в левой части можно «собрать» 3 молекулы серной кислоты, а в правой – «молекулу» сульфата калия и две «молекулы» сульфата марганца:
5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O
Ну вот, собственно, и всё – реакция уравнена, коэффициенты в ней расставлены, а следовательно задача решена.
См. далее:
2) Пример нестандартного использования метода полуреакций
3) Про недомолвки первого типа
4) Про недомолвки второго типа