Полуреакции окисления и восстановления
Полуреакции показывают отдельно, какие частицы отдают электроны, а какие их принимают. Они нужны для составления уравнений ОВР и особенно важны при использовании ионно-электронного метода.
Что такое полуреакция
Полуреакция — это запись только одной стороны окислительно-восстановительного процесса: либо отдачи электронов, либо их принятия. В настоящей ОВР обе полуреакции происходят одновременно: электроны не возникают и не исчезают, а переходят от восстановителя к окислителю.
Окисление — отдача электронов частицей. Восстановление — принятие электронов частицей. Частица, отдающая электроны, является восстановителем; частица, принимающая электроны, — окислителем. Подробнее признаки процессов разобраны на страницах окисление и восстановление.
В обозначениях \(\mathrm{Red}\) и \(\mathrm{Ox}\) — восстановленная и окисленная формы бір элемента или частицы, а \(n\) — число отданных или принятых электронов. В полуреакции электрон записывают явно: при окислении справа, при восстановлении слева.
Как определить число электронов
Сначала находят степени окисления элемента, который изменяется. Разность между конечной и начальной степенями окисления показывает число электронов на один атом. При повышении степени окисления электроны отдаются, при понижении — принимаются.
| Изменение степени окисления | Процесс | Запись электронов |
|---|---|---|
| \(+2 \rightarrow +3\) | окисление | 1 электрон отдаётся |
| \(+5 \rightarrow +2\) | восстановление | 3 электрона принимаются |
| \(-2 \rightarrow +4\) | окисление | 6 электронов отдаётся |
| \(+7 \rightarrow +2\) | восстановление | 5 электронов принимаются |
В полной ОВР число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем. Поэтому полуреакции умножают на такие коэффициенты, чтобы электронов по обе стороны было поровну.
Если изменяется не один атом, число электронов для частицы умножают на количество таких атомов. Например, в \(\mathrm{MnO_4^-}\) марганец принимает 5 электронов, а в \(\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}\) два атома хрома принимают вместе 6 электронов: по 3 электрона на каждый атом.
Запись простых полуреакций
Для ионов и атомов достаточно сравнить заряд и добавить электроны. Если атом металла переходит в катион, он отдаёт электроны. Если катион превращается в атом или ион с меньшим положительным зарядом, он принимает электроны.
В полуреакции хлора необходимо поставить коэффициент 2 перед хлорид-ионом, потому что в молекуле \(\mathrm{Cl_2}\) два атома хлора. После этого для равенства зарядов слева добавляют два электрона.
Проверьте одновременно два баланса: число атомов каждого элемента и суммарный заряд. Если атомы совпадают, но заряды различаются на 2, добавьте два электрона на сторону с более положительным зарядом.
Какая полуреакция записана правильно для превращения \(\mathrm{Cu^{2+}}\) в \(\mathrm{Cu}\)?
Полуреакции сложных ионов
Если в превращении участвуют кислород и водород, одной расстановки электронов недостаточно. В ионно-электронном методе полуреакцию уравнивают поэтапно: сначала атомы элемента, который изменяет степень окисления, затем кислород водой, водород ионами водорода в кислой среде, а заряд — электронами.
Например, рассмотрим восстановление перманганат-иона \(\mathrm{MnO_4^-}\) до иона \(\mathrm{Mn^{2+}}\) в кислой среде. Марганец изменяет степень окисления с \(+7\) до \(+2\), поэтому принимает 5 электронов.
Получена уравненная полуреакция восстановления: \(\mathrm{8H^+ + MnO_4^- + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O}\). Число электронов совпадает с изменением степени окисления марганца: \(+7 \rightarrow +2\), то есть принято 5 электронов.
В щелочной или нейтральной среде порядок уравнивания меняется: вместо избытка ионов водорода используют воду и гидроксид-ионы. Эти случаи рассматриваются отдельно на страницах ОВР в кислой среде, ОВР в щелочной среде и ОВР в нейтральной среде.
Как объединить полуреакции
После составления двух полуреакций их умножают на коэффициенты, уравнивающие число электронов. Затем складывают левые и правые части, сокращая одинаковые частицы, прежде всего электроны. Полученное уравнение должно сохранять атомы и суммарный заряд.
В молекулярном уравнении к полученному ионному уравнению добавляют ионы-наблюдатели, если они входят в исходные вещества. Подбор коэффициентов таким способом называется электронным балансом, если основное внимание уделяют изменению степеней окисления.
1. Ставить электроны не с той стороны: при окислении они справа, при восстановлении слева. 2. Учитывать изменение степени окисления только одного атома, забывая индекс вещества. 3. Не проверять заряд полуреакции. 4. Сокращать электроны до уравнивания их количества. 5. Путать окислитель с окисляемым веществом: окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
Связь с другими понятиями
Полуреакция описывает перенос электронов на уровне частиц. В электрохимии направление процессов связывают с электродами: в гальваническом элементе на аноде идёт окисление, а на катоде — восстановление; это разобрано на странице анод и катод гальванического элемента. Вещество, отдающее электроны, называют донором электронов, а принимающее — акцептором электронов.
Быстрая проверка
Главное
- Полуреакция отдельно показывает отдачу или принятие электронов.
- При окислении электроны записывают справа, при восстановлении — слева.
- Число электронов находят по изменению степени окисления с учётом числа атомов.
- В полной ОВР число отданных электронов равно числу принятых.
- Для сложных ионов дополнительно уравнивают атомы кислорода и водорода, затем общий заряд.
- После сложения полуреакций электроны сокращают и проверяют атомный и зарядовый балансы.