Метод электронного баланса

Данный метод основан на представлении о степени окисления атома в веществе. Степень окисления - это условный заряд атома, найденный исходя из предположения, что все связи в веществе чисто ионные. Степень окисления обозначается арабской цифрой со знаком (+) или (-).

Ионной связи в чистом виде в природе не существует. Например, в кристаллическом хлориде натрия (NaCl), натрий имеет реальный заряд +0,8, а хлор (-0,8) заряда электрона по модулю. Отсюда следует, что степени окисления натрия (Na⁺) и хлора (Cl^-) являются понятием формальным.

Тем не менее, метод электронного баланса в настоящее время широко используется, так как он наиболее прост и универсален. Практически единственным ограничением этого метода является то, что он позволяет уравнивать только полные схемы реакций.

Правила нахождения степеней окисления

Для применения метода электронного баланса необходимо знать степени окисления всех атомов в формулах веществ (исходных и продуктов реакции). Степени окисления находятся с использованием следующих правил:

1. Cтепень окисления атома в простом веществе равна нулю:

H ; N ; Mg ; C и т.д.

2. Сумма степеней окисления всех атомов в формульной единице вещества (молекуле) равна нулю.

K Cr O 2 × (+1) + 2 × (+6) + 7 × (-2) = 0

Чтобы воспользоваться этим правилом необходимо запомнить перечень химических элементов, атомы которых во всех (или почти во всех) их соединениях имеют одну и ту же степень окисления.

Возвратимся к приведенному выше примеру: K Cr O .

Cтепени окисления калия и кислорода найдены по таблице. Далее применяем правило электронейтральности молекулы: 2 × (+1) + 2 x + 7 × (-2) = 0. Отсюда: x = +6.

3. Степени окисления атомов в кислотных остатках такие же, как в соответствующих им кислотам. Это правило является следствием определения кислотного остатка: кислотный остаток - это часть молекулы кислоты, перешедшая в соль без изменений.

Пример: Mn^yS^xO .

Вначале находим х. Кислотный остаток (сульфат) соответствует серной кислоте - H S⁺⁶O .

Теперь, по правилу электронейтральности молекулы можно найти степень окисления марганца: y + 6 + 4 (-2) = 0; y = +2.

Алгоритм применения метода электронного баланса

1. Написать схему реакции. Схема реакции - это условное химическое выражение, в котором слева указаны исходные вещества, справа - известные продукты реакции. Между правой и левой частями схемы ставится знак “стрелка”. Схема может быть полной (известны все продукты) и неполной (известна только часть продуктов). Метод электронного баланса позволяет работать только с полными схемами. Единственным веществом, которое можно не указывать в схеме является вода.

Пример: Cu + HNO₃ ® Cu(NO₃)₂ + NO +....

(многоточие означает, что в правой и левой части окончательного уравнения может появиться вода).

2. Над каждым атомом в схеме поставить степени окисления:

Cu⁰ + H⁺¹N⁺⁵O ® Cu⁺²(N⁺⁵O )₂ + N⁺²O^-2 +....

3. Найти атомы, изменившие свои степени окисления. Составить для них уравнения электронных переходов:

Cu⁰ + H⁺¹N⁺⁵O ® Cu⁺²(N⁺⁵O )₂ + N⁺²O^-2 +....

Cu⁰ - 2 = Cu⁺²,

N⁺⁵ + 3 = N⁺².

4. Сделать электронный баланс (подобрать коэффициенты, на которые нужно умножить уравнения электронных переходов, чтобы число электронов, ушедших от восстановителей, было равно количеству электронов, принятых окислителем).

Cu⁰ - 2 = Cu⁺² 3

N⁺⁵ + 3 = N⁺² 2

Из электронного баланса следует, что в левой части полученного уравнения на каждые 3 атома восстановителя (Cu⁺²) должно приходиться 2 атома окислителя (N⁺⁵). В правой части будущего уравнения на 3 атома Cu⁺² должно приходиться 2 атома N⁺².

5. В схеме реакции поставить первые коэффициенты в соответствии с электронным балансом (там, где это возможно!).

3Cu + HNO₃ ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO +....

Обратите внимание: из четырех теоретически возможных коэффициентов указаны только три. Перед азотной кислотой коэффициент пока неизвестен, т.к. N⁺⁵ ведет себя сложным образом: с одной стороны принимает участие в ОВР (это учтено в электронном балансе), а с другой - переходит без изменений в нитрат меди (Сu(NO₃)₂) (это не учтено в электронном балансе, т.к. при этом степень окисления азота не меняется).

6. Уравнять по всем атомам, кроме водорода и кислорода. При этом произвольное изменение коэффициентов, полученных из электронного баланса недопустимо.

3Cu + 8 HNO₃ ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO +....

7. Уравнять по водороду. Это делается только одним способом: добавлением соответствующего числа молекул воды в ту часть схемы, где водорода не хватает. В данном примере слева 8 атомов водорода, а справа - нуль. Молекула Н₂О содержит 2 атома водорода:

3Cu + 8HNO₃ ® 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

8. Полученное выражение должно быть уравнением ОВР, если до того не было допущено ошибки. Необходимо проверить данное уравнение по кислороду. Если справа и слева количество атомов кислорода одинаково, вместо “стрелки” ставим знак “равно” (это уравнение). Если по кислороду не сошлось, то следует повторить уравнивание, начиная с пункта 1.

Окончательное уравнение:

3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.