Тригубчак І, Електронно-іонний баланс в курсі неорганічної хімії середньої школи
Тема «Окислювально-відновлювальні реакції» є однією з найважливіших і складних тем курсу хімії, без завдань з цієї теми неможливо уявити собі жоден варіант іспиту з хімії – чи то випускний у школі, чи то вступні випробування до вузу. Наші випускники здають ЄДІ поки що тільки в рамках експерименту, але вже зараз зрозуміло, що всі три частини ЄДІ з хімії обов'язково включають питання на тему «Окислювально-відновлювальні реакції».
Теоретично програми навчальних предметів шкільного та абітурієнтського рівня повинні збігатися, недарма ж у будь-якій програмі для вступників до вузів у розділі «література» як основні навчальні посібники зазначаються шкільні підручники. І справді, назви тем у шкільній та абітурієнтській програмі завжди однакові. Різниця ж – у рівні складності, у переліку питань, що ховаються за назвою великої теми курсу, в обсязі знань та умінь, якими має володіти випускник загальноосвітньої школи та абітурієнт, який вступає до вузу хімічного чи медичного профілю. Характерним прикладом сказаного вище є тема «Окислювально-відновлювальні реакції» (ОВР).
На уроках хімії в школі ми вводимо основні поняття теорії ОВР (ступінь окислення, окислювач, відновник, процеси окислення та відновлення) та вчимо школярівзрівнюватиокислювально-відновлювальні реакціїметодом електронного балансу. Цей метод дозволяє розставити коефіцієнти реакції, реагенти і продукти якої відомі.
Методом електронно-іонного балансу можна скласти рівняння ОВР, а не тільки розставити коефіцієнти.
Здаючи вступний іспит з хімії до інституту, абітурієнт стикається із завданнями,яких потрібно якзрівняти, а йскластирівняння окислювально-відновної реакції, але це, не володіючиметодом электронно-ионного балансу, зробити дуже складно. Як приклад наведемо одне із завдань частини С ЄДІ з хімії 2007 року.
«Складіть рівняння окислення йодиду калію перманганатом калію в сірчанокислому розчині. Наведіть схему електронного (або електронно-іонного) балансу ».
Учню дається право вибору, і це завдання справді можна виконати, володіючи лише електронним балансом і добре розуміючи основні тези теорії ОВР. Але за допомогою електронно-іонного балансу це завдання виконується набагато простіше і, що важливо, швидше.
Таким чином, стає цілком очевидним, що для забезпечення своїм учням безперервної освіти ми повинні познайомити їх (на заняттях курсів, у рамках факультативу або предметного гуртка) з методом електронно-іонного балансу.
При використанні методу електронно-іонного балансу слід мати на увазі, що у водних розчинах зв'язування надлишкового кисню у окислювача та приєднання кисню відновником відбувається по-різному в кислому, нейтральному та лужному середовищах. У кислих розчинах надлишок кисню зв'язується протонами з утворенням молекул води, а в нейтральних та лужних – молекулами води з утворенням гідроксид-іонів. Приєднання кисню відновником здійснюється в кислому та нейтральному середовищах за рахунок молекул води з утворенням іонів водню, а в лужному середовищі – за рахунок гідроксид-іонів з утворенням молекул води.
Крім того, при записі напівреакцій, на відміну від методу електронного балансу, записують лише ті частинки, які існують у розчинах насправді – для сильних електролітів враховуютьдисоціацію та записують реально існуючий іон, а слабкі електроліти записують у напівреакціях у вигляді молекул. Наприклад, використовуючи метод електронного балансу, ми у разі відновлення перманганату калію в кислому середовищі запишемо:
При використанні методу електронно-іонного балансу дана напівреакція матиме вигляд:
У процесі виконання вправ у учнів накопичується «база даних» найпоширеніших напівреакцій, що дозволяє надалі досить легко прогнозувати продукти окислювально-відновних реакцій.
Розглянемо алгоритм складання ОВР з використанням методу електронно-іонного балансу на прикладі вищезгаданої реакції із завдань ЄДІ.
1.Записуємо реагенти ОВР, визначаємо окислювач, відновник та середовище розчину:
2.Записуємо напівреакцію за участю окислювача, міркуючи наступним чином: перманганат калію є сильним електролітом (розчинна сіль), тому в розчині відновлення піддаватиметься перманганат-іон. У кислому середовищі перманганат-іон відновлюється до катіону Mn 2+.Зрівнюємо напівреакцію за допомогою протонів та молекул води (див. схеми напівреакцій у кислому середовищі). Підсумовуємо заряди іонів у напівреакції (до і після) та за різницею сум знаходимо число прийнятих або відданих у напівреакції електронів:
(процес відновлення, бере участь окислювач)
3. Записуємо напівреакцію за участю відновника, розмірковуючи так: йодид калію є сильним електролітом (розчинна сіль), тому в розчині окислення будуть піддаватися йодид-іони. У процесі окислення їх ступінь окислення підвищуватиметься (можливі варіанти до ступеня окислення 0, +1, +3, +5, +7). Найбільш стійкою є ступінь окислення 0, тобто. логічноочікувати утворення у продуктах реакції молекулярного йоду. (Насправді в розчині буде присутня суміш продуктів окислення, але в рівнянні записують найбільш стійкий з них.) Зрівнюємо напівреакцію (т.к. необхідно зрівняти тільки йод, протони та молекули води для зрівняння не використовуємо):
(процес окислення, бере участь відновник)
4.Складаємо електронно-іонний баланс: знаходимо найменше загальне кратне між числом прийнятих та відданих у напівреакціях електронів (10); розділивши найменше загальне кратне на число електронів у кожній напівреакції, отримуємо коефіцієнти до напівреакцій:
5.Підсумовуємо напівреакції з урахуванням коефіцієнтів, при цьому отримуємо іонне рівняння окисно-відновної реакції:
6.Якщо є необхідність, взаємно знищуємо однакові частинки в лівій та правій частині іонного рівняння (у даному випадку такої необхідності немає).
7.Переносимо отримані коефіцієнти рівняння, одночасно «добудовуючи» іони до молекулярної форми. Для утворення 2 молекул перманганату калію додаємо до лівої частини рівняння 2 катіону калію; 16 протонів дадуть нам 8 молекул сірчаної кислоти, але для цього до них необхідно додати 8 сульфатних залишків, 10 йодид-іонів вимагають при добудові до молекулярної форми 10 катіонів калію. Таким чином, для перекладу вихідних реагентів з іонної форми в молекулярну в даному випадку ми використовуємо 12 іонів калію і 8 сульфат-іонів, тоді як для переведення продуктів реакції подібним чином з іонної форми в молекулярну необхідно тільки 2 сульфат-іону (для перекладу катіонів марганцю в сульфат марганцю). 12 катіонів калію і 6 сульфат-іонів, що залишилися, зв'язуються між собою з утворенням 6 молекул сульфату калію. Отримане молекулярнерівняння окислювально-відновної реакції має вигляд:
Таким чином, метод електронно-іонного балансу дозволяє не тільки урівнювати, але й одночасно складати окислювально-відновну реакцію. Слід зазначити, що у курсі органічної хімії метод електронно-іонного балансу знаходить так само широке застосування.