22.10: Балансування окислювально-відновних реакцій - метод напівреакції

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19399

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

На малюнку нижче показаний один з двох поїздів атракціонів Thunder Dolphin. Цей поїзд має помаранчеву смугу, в той час як його супутник має жовту смугу. Пігменти цих кольорів часто виготовляються з сіллю дихромата (зазвичай натрію або дихромата калію). Ці яскраво забарвлені сполуки служать сильними окислювачами в хімічних реакціях.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Грім Дельфін американські гірки поїзд.

Балансування окислювально-відновних рівнянь: метод напівреакції

Ще один метод врівноваження окислювально-відновних реакцій використовує напівреакції. Нагадаємо, що напівреакція - це або відбувається окислення, або відновлення, оброблене окремо. Метод напівреакції працює краще, ніж метод окислювально-числового, коли речовини в реакції знаходяться у водному розчині. Водний розчин, як правило, кислий або основний, тому присутні іони водню або гідроксидні іони.

Загалом, напівреакції спочатку врівноважуються атомами окремо. Електрони включаються в напівреакції. Потім вони врівноважуються таким чином, що кількість втрачених електронів дорівнює кількості отриманих електронів. Нарешті, дві напівреакції складаються разом. Прикладом може служити окислення\(\ce{Fe^{2+}}\) іонів до\(\ce{Fe^{3+}}\) іонів дихроматом\(\left( \ce{Cr_2O_7^{2-}} \right)\) в кислому розчині. Іони дихромату зводяться до\(\ce{Cr^{3-}}\) іонів.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Біхромат калію\(\left( \ce{K_2Cr_2O_7} \right)\).

Крок 1: Напишіть незбалансоване іонне рівняння.

\[\ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) + \ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) + \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right)\nonumber \]

Зверніть увагу, що рівняння далеко не збалансоване, оскільки з правого боку немає атомів кисню. Це буде вирішено методом балансування.

Крок 2: Запишіть окремі напівреакції для процесів окислення та відновлення. Визначте числа окислення спочатку, якщо це необхідно.

\[\begin{align*} &\text{Oxidation:} \: \ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) \\ &\text{Reduction:} \: \overset{+6}{\ce{Cr_2}} \ce{O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) \end{align*}\nonumber \]

Крок 3: Збалансуйте атоми в напівреакціях, відмінних від водню та кисню. У напівреакції окислення вище атоми заліза вже збалансовані. Редукційна напівреакція повинна бути збалансована атомами хрому.

\[\ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right)\nonumber \]

Крок 4: Збалансуйте атоми кисню, додаючи молекули води до відповідної сторони рівняння. Для відновлення напівреакції вище, сім\(\ce{H_2O}\) молекул будуть додані в сторону продукту.

\[\ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) + 7 \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Тепер атоми водню потрібно врівноважити. У кислому середовищі додайте іони водню для балансу. У цьому прикладі до реактивної сторони буде додано чотирнадцять\(\ce{H^+}\) іонів.

\[14 \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) + 7 \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Крок 5: Збалансуйте заряди, додаючи електрони до кожної напівреакції. Для напівреакції окислення електрони потрібно буде додати в сторону продукту. Для редукційної напівреакції електрони будуть додані до реактивної сторони. Додаючи один електрон до добутку окислювальної напівреакції, є\(2+\) загальний заряд з обох сторін.

\[\ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) + \ce{e^-}\nonumber \]

Існує загальний заряд\(12+\) на стороні реагенту відновної напівреакції\(\left( 14 - 2 \right)\). Сторона продукту має загальний заряд\(6+\) завдяки двом іонам хрому\(\left( 2 \times 3 \right)\). Щоб збалансувати заряд, в сторону реагента потрібно додати шість електронів.

\[6 \ce{e^-} + 14 \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) + 7 \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Тепер вирівняйте електрони, помноживши все в одному або обох рівняннях на коефіцієнт. У цьому прикладі напівреакція окислення буде помножена на шість.

\[6 \ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) \rightarrow 6 \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) + 6 \ce{e^-}\nonumber \]

Крок 6: Додайте дві напівреакції разом. Електрони повинні скасувати. Врівноважте залишки речовин шляхом огляду. При необхідності скасуйте\(\ce{H_2O}\) або\(\ce{H^+}\) які з'являються з обох сторін.

\[\begin{align*} 6 \ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) &\rightarrow 6 \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) + \cancel{ 6 \ce{e^-}} \\ \cancel{6 \ce{e^-}} + 14 \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) &\rightarrow 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) + 7 \ce{H_2O} \left( l \right) \\ \hline 14 \ce{H^+} \left( aq \right) + 6 \ce{Fe^{2+}} \left( aq \right) + \ce{Cr_2O_7^{2-}} \left( aq \right) &\rightarrow 6 \ce{Fe^{3+}} \left( aq \right) + 2 \ce{Cr^{3+}} \left( aq \right) + 7 \ce{H_2O} \left( l \right) \end{align*}\nonumber \]

Крок 7: Перевірте балансування. У наведеному вище рівнянні є\(14 \: \ce{H}\),\(6 \: \ce{Fe}\),\(2 \: \ce{Cr}\), і з\(7 \: \ce{O}\) обох сторін. Чистий заряд знаходиться з\(24+\) обох сторін. Рівняння збалансоване.