• Расстановка коэффициентов в уравнениях ОВР

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который помогает проследить передачу электронов. Сравнивая её у элемента в исходном веществе и продукте, находят изменения, характерные для ОВР. Если значение не меняется, этот элемент не участвует в электронном балансе.

Окисление — повышение степени окисления элемента. Оно связано с отдачей электронов: после потери отрицательно заряженных частиц условный заряд атома становится положительнее. Поэтому при записи электронного изменения электроны ставят справа от атома.

Восстановление — понижение степени окисления элемента. Оно происходит при присоединении электронов, и условный заряд атома становится менее положительным или более отрицательным. В электронной записи присоединённые электроны ставят слева.

Электронный баланс — способ подбора коэффициентов по числу электронов, отданных и присоединённых атомами. Он показывает, в каком соотношении должны реагировать вещества с изменяющимися степенями окисления. После этого соотношения помогают уравнять остальные атомы.

Как это устроено

Перед подбором коэффициентов определяют степени окисления в исходных веществах и продуктах. Иначе невозможно увидеть, какие атомы изменили условный заряд и сколько электронов они отдали или приняли. Индексы в формулах при этом уже заданы и не меняются: они описывают состав конкретных веществ, а не количество этих веществ в реакции.

Затем сопоставляют значения каждого элемента до и после реакции. Повышение степени окисления означает окисление, а понижение — восстановление. Это сравнение позволяет отделить процессы, отдающие электроны, от процессов, которые их принимают; в ОВР должны присутствовать оба вида изменений.

Для каждого изменяющегося элемента записывают, на сколько единиц изменилась его степень окисления. Эту величину связывают с числом электронов для одного атома, а затем учитывают число таких атомов в формуле вещества. Например, если меняются два атома железа, электронное изменение одного атома нужно взять дважды.

Отданные и присоединённые электроны должны уравновесить друг друга: в реакции электроны не возникают из ничего и не исчезают. Поэтому подбирают наименьшие множители для процессов окисления и восстановления, чтобы общие количества электронов совпали. Полученные множители задают соотношение коэффициентов перед веществами, содержащими соответствующие элементы.

Найденные множители переносят к формулам реагентов и продуктов, где происходят изменения степеней окисления. Затем уравнивают атомы остальных элементов, включая водород и кислород, если они есть в уравнении. В конце пересчитывают атомы каждого элемента с обеих сторон: только совпадение всех количеств подтверждает, что уравнение составлено правильно.

Этапы расстановки коэффициентов методом электронного баланса

Пользуйтесь таблицей сверху вниз: каждый этап опирается на результат предыдущего. Не переходите к расстановке остальных коэффициентов, пока электронные изменения не уравнены. Последняя проверка охватывает все элементы, а не только те, чьи степени окисления изменились.

Разбор задач

Задача 1. Расставить коэффициенты: Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂.

1. Определяем изменения: Zn⁰ → Zn²⁺, значит, цинк отдаёт 2e⁻; H⁺ → H⁰, каждый атом водорода принимает 1e⁻.
2. Для одного атома цинка отданы 2e⁻, для двух атомов водорода приняты 2e⁻. Значит, цинку соответствует один атом, а водороду нужны два атома.
3. Ставим 2 перед HCl, чтобы получить два атома водорода и два атома хлора. Проверяем цинк, хлор и водород с обеих сторон.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.

Задача 2. Расставить коэффициенты: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в продукте Fe — 0: каждый атом принимает 3e⁻. В формуле два атома Fe, значит, суммарно принято 6e⁻.
2. Углерод в CO меняет степень окисления с +2 на +4 и отдаёт 2e⁻ на атом. Три атома углерода отдают 6e⁻, поэтому ставим 3 перед CO и CO₂.
3. Ставим 2 перед Fe, чтобы учесть оба атома железа. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов, справа тоже 6.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Задача 3. Расставить коэффициенты: KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O.

1. Марганец меняет степень окисления с +7 на +2 и принимает 5e⁻. Хлор из HCl меняет степень окисления с −1 на 0 и отдаёт 1e⁻ на атом.
2. Чтобы уравнять баланс, берём два атома марганца: они принимают 10e⁻. Десять атомов хлора отдают 10e⁻, образуя пять молекул Cl₂.
3. Ставим 2 перед KMnO₄, MnCl₂ и KCl, а 5 перед Cl₂. Затем уравниваем калий, марганец, кислород, водород и хлор: получаем 16HCl и 8H₂O.

Ответ: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. Слева и справа по 2 атома K, 2 Mn, 8 O, 16 H и 16 Cl.

Типичные ошибки

• Изменять индексы вместо коэффициентов — значит менять состав вещества, например превращать одно соединение в другое. Так поступают, пытаясь уравнять число атомов прямо в формуле. Проверьте, что формулы реагентов и продуктов остались исходными, а менялись только числа перед ними.
• Учитывать изменение степени окисления лишь одного атома недостаточно, если в формуле таких атомов несколько. Ошибка возникает, когда смотрят на изменение для одного атома и забывают умножить его на количество атомов элемента. Сверьте коэффициент электронного изменения с индексом элемента в формуле.
• Подбирать коэффициенты до уравнивания электронов — значит действовать без установленного соотношения между окислением и восстановлением. Можно случайно уравнять один элемент, но оставить неверное число электронов. Проверьте, что множители дают одинаковое общее количество отданных и присоединённых электронов.
• Считать уравнение готовым после уравнивания только элементов с изменившимися степенями окисления нельзя. Остальные атомы тоже подчиняются закону сохранения массы, но о них легко забыть после электронного баланса. Пересчитайте по отдельности все атомы слева и справа от стрелки.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать правила определения степеней окисления и уметь составлять формулы веществ. Эти навыки позволяют правильно заметить изменения в реакции и не спутать коэффициенты с индексами. Если степень окисления найдена неверно, электронный баланс тоже окажется неверным.

Метод электронного баланса применяют при составлении уравнений ОВР, которые встречаются при изучении химических свойств металлов, неметаллов и их соединений. Он помогает связать изменения отдельных атомов с целым уравнением реакции. Поэтому им пользуются не только для готовых примеров, но и при разборе новых реакций.

Расстановка коэффициентов связана с законом сохранения массы веществ: в реакции атомы не исчезают и не появляются. Коэффициенты должны уравнять число атомов каждого элемента в реагентах и продуктах. Электронный баланс задаёт часть соотношений, а проверка атомов подтверждает уравнение целиком.

Что запомнить

• Коэффициенты в ОВР подбирают, не изменяя индексы формул.
• Окисление сопровождается повышением степени окисления и отдачей электронов.
• Восстановление сопровождается понижением степени окисления и присоединением электронов.
• Число отданных электронов равно числу присоединённых.
• Электронный баланс задаёт соотношение коэффициентов для изменяющих степень окисления элементов.
• После расстановки коэффициентов проверяют число атомов каждого элемента.