Метод ионно-электронного баланса используют для составления уравнений ОВР, проходящих в растворах. Процесс разбивают на полуреакций окисления и восстановления, в уравнениях которых учитывают реальные частицы, существующие в растворе, а также характер среды (кислая, нейтральная, щелочная). Суммированием уравнений полуреакций получают ионное и молекулярное уравнения.
При условии заданных продуктов реакции рекомендуется следующий алгоритм составления уравнений ОВР.
1. Рассчитывают степени окисления атомов элементов и по их изменению определяют окислитель и восстановитель.
2. Определяют среду, в которой проходит реакция: если в составе исходных веществ есть сильная кислота – среда кислая, щелочь – среда щелочная, при отсутствии сильной кислоты или щелочи в составе исходных веществ – среда нейтральная.
3. Составляют ионную схему реакции, выделяют окислительно-восстановительные пары.
4. Составляют уравнения полуреакций окисления и восстановления, в которых уравнивают
· число атомов элементов, изменяющих степени окисления;
· число атомов кислорода и водорода (с учетом среды):
в кислой среде для этого используют H+ и H2O,
в щелочной среде – OH¯ и H2O,
в нейтральной среде H2O (в левой части уравнений), H+ и OH¯ (в правой части уравнений);
· заряд левой и правой частей уравнений добавлением в левую часть число принятых или отданных электронов .
5. Суммируют уравнения полуреакций с учетом множителей, подобранных для уравнивания числа принятых и отданных электронов.
6. В суммарном уравнении при необходимости выполняют алгебраические преобразования и получают краткое ионное уравнение реакции.
7. Дописывают в левую часть к каждой формуле ионов соответствующие им противоионы (ионы противоположного знака), затем те же противоионы добавляют к ионам правой части, чтобы нейтрализовать заряды, и получают полное ионное уравнение реакции.
8. Дописывают молекулярное уравнение.
Один из самых сложных этапов составления уравнений ОВР – уравнивание числа атомов кислорода в уравнениях полуреакций с учетом среды. Существует всего два отличающихся приема введения необходимого числа атомов кислорода: добавление в ту часть уравнения полуреакции, где недостает n атомов кислорода, 2 n гидроксид-ионов (если это позволяет данная среда), или n молекул воды (если в данной среде нельзя использовать ОН¯- ионы).
Например, требуется дописать уравнение полуреакции
NO2¯ ® NO3¯.
Определенные ограничения для уравнивания числа атомов кислорода накладывает среда.
В щелочной среде можно использовать только ОН¯- ионы и молекулы воды. В левой части полуреакции недостает одного атома кислорода, для уравнивания добавляем в левую часть два ОН¯- иона, а появившиеся избыточные атомы кислорода и водорода связываем в правой части в молекулу воды
NO2¯ + 2ОН¯® NO3¯ + Н2О.
В кислой среде в качестве источника атомов кислорода нельзя использовать ОН¯- ионы, для уравнивания в левую часть добавляем молекулу Н2О, а появившиеся при этом атомы водорода компенсируем добавлением в правую часть двух ионов водорода:
NO2¯ + Н2О ® NO3¯ + 2H+.
В нейтральной среде в левой части уравнений полуреакций можно использовать только молекулы воды, а справа – ионы H+ и ОН¯, т.е. для нейтральной среды уравнивание числа атомов кислорода выполняем точно так же.
Уравнения полуреакций:
для щелочной среды
NO2¯ + 2ОН¯ - 2ē = NO3¯ + Н2О,
для кислой и нейтральной среды
NO2¯ + Н2О - 2ē = NO3¯ + 2H+.
Содержание каждого этапа составления уравнений ОВР будет проиллюстрировано на примере составления уравнений конкретных реакций в различных средах.