Электронный баланс в химии: что такое

Метод электронного баланса широко используется в химии для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. В данной статье мы подробно разберем, что это за метод, как он работает, приведем примеры его применения. Также рассмотрим некоторые факторы, влияющие на продукты окислительно-восстановительных реакций.

Чтобы разобраться в этом методе, сначала необходимо вспомнить, что такое окислительно-восстановительные реакции и какие процессы в них происходят. Давайте начнем!

Окислительно-восстановительные реакции и их особенности

Окислительно-восстановительные реакции - это реакции, в которых происходит перенос электронов между реагирующими веществами. Эти реакции широко распространены в природе и имеют большое практическое значение:

• В ходе ОВР одни вещества отдают электроны (восстановители), другие их принимают (окислители).
• Степень окисления - это формальный заряд атома, если предположить, что все химические связи ионные. Ее изменение показывает направление перехода электронов.
• Электронный баланс - метод составления уравнений ОВ реакции, при котором число отданных и принятых электронов уравнивают посредством коэффициентов.

Часто ОВР сопровождаются характерными признаками: изменением цвета раствора или выделением газа. Например, взаимодействие меди с азотной кислотой.

Определение степеней окисления и окислителей/восстановителей

Степень окисления (СО) - это условный заряд атома в молекуле или ионе, который показывает, сколько электронов атом отдал на образование химических связей или сколько принял из общей электронной пары.

Правила определения СО:

• У простых веществ СО равна 0
• У атомов в свободном состоянии СО равна заряду иона
• В бинарных соединениях атомы более электроотрицательного элемента имеют отрицательную СО, менее - положительную

Электронный баланс предполагает определение окислителей и восстановителей - веществ, соответственно отдающих и принимающих электроны.

Окислители:

• Элементы с повышением СО
• Кислородсодержащие соединения (HNO3, KMnO4)
• Металлы в высших степенях окисления

Восстановители:

• Элементы с понижением СО
• Металлы в низших степенях окисления
• Водород

Зная СО реагентов, можно определить направление переноса электронов и предсказать продукты электронного баланса.

Составление схемы переноса электронов и электронного баланса

После определения окислителей и восстановителей можно перейти к составлению схемы электронного баланса - отражению процесса переноса электронов в ОВР.

Алгоритм:

1. Записать уравнение реакции
2. Определить СО всех элементов
3. Записать схему изменения СО окислителей и восстановителей

Например:

2Na + Cl2 = 2NaCl

СО исходных веществ: Na - +1; Cl - 0

СО продуктов: Na в NaCl - +1; Cl в NaCl - (-1)

Схема изменения СО:

0 Cl0 - 2e = Cl-1 (окислитель)

+1 Na - 1e = Na+1 (восстановитель)

Далее необходимо уравнять число электронов. Это и есть суть электронного баланса.

Расстановка коэффициентов по электронному балансу

После составления схемы ОВР с указанием числа отданных и принятых электронов, необходимо произвести их уравнивание. Это - ключевой момент электронного баланса.

Алгоритм:

1. Найти наименьшее общее кратное (НОК) чисел электронов
2. Разделить НОК на число электронов у окислителя и восстановителя - получатся коэффициенты

Пример для реакции:

Fe2+ - 1e = Fe3+

O2 + 4e = 2O2-

НОК чисел 1 и 4 равно 4.

Делим:

4/1 = 4 (коэффициент у Fe)

4/4 = 1 (коэффициент у O2 )

Окончательное уравнение:

4Fe2+ - 4e = 4Fe3+

O2 + 4e = 2O2-

Таким образом достигается баланс электронов в уравнении ОВР. Это позволяет правильно подобрать стехиометрические коэффициенты.

Примеры применения метода электронного баланса

Рассмотрим несколько примеров применения электронного баланса для составления уравнений различных ОВР. Это поможет закрепить навыки использования данного метода.

Пример 1. Взаимодействие перманганата калия с соляной кислотой с образованием хлора:

1) Исходное уравнение реакции:

KMnO4 + HCl → MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O

2) Определяем окислитель и восстановитель:

Ок.: MnO4-

Boc.: HCl

3) Составляем схему электронного баланса:

Mn+7 - 5e = Mn+2

2H++ 2e = H2↑

4) Подбираем коэффициенты методом эл. баланса:

10Mn+7 - 10e = 10Mn+2

2H++ 2e = H2↑

5) Получаем уравнение ОВР с эл. балансом.

Таким образом, электронный баланс - удобный способ составления ОВР.

Пример 2. Восстановление меди азотной кислотой:

1) Исходное уравнение:

Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + H2O

2) Определяем окислитель и восстановитель:

Ок.: HNO3

Boc.: Cu

3) Схема «эл. баланса»:

Cu0 - 2e = Cu+2

N+5 + 3e = N+2

4) Подбираем коэффициенты:

2Cu0 - 4e = 2Cu+2

2N+5 + 6e = 2N+2

5) Получаем уравнение ОВР с эл. балансом.

Факторы, влияющие на продукты ОВР

Несмотря на кажущуюся простоту электронного баланса, на самом деле конечные продукты ОВР могут зависеть от многих факторов. Рассмотрим это на примере восстановления перманганата калия (KMnO4).

В кислой среде образуется ион Mn2+, в нейтральной - MnO2, в щелочной - MnO42-. Это связано с различной степенью восстановления марганца.

Схемы «эл. баланса» в разных средах:

Кислая:

Mn+7 - 5e = Mn+2

Нейтральная:

Mn+7 - 3e = Mn+4

Щелочная:

Mn+7 - 1e = Mn+6

Также на продукты влияют: температура, катализаторы, концентрация, соотношение реагентов.

Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту эл. баланса, на самом деле ОВР - сложные многофакторные процессы.

Значение ОВР и электронного баланса на практике

Окислительно-восстановительные реакции и метод электронного баланса для их описания имеют важнейшее практическое значение.

ОВР лежат в основе:

• Дыхания и фотосинтеза
• Превращений веществ и круговоротов в биосфере
• Процессов, происходящих в организме (окисление жиров, белков)

Многие технологические процессы используют ОВР:

• Получение черных и цветных металлов
• Органический синтез
• Разложение и горение различных веществ

Все эти процессы требуют понимания и корректного описания ОВР, в том числе с помощью электронного баланса.

Таким образом, ОВР и баланс электронов имеют фундаментальное значение в природе и практической деятельности человека.