“电子守恒法”在氧化还原反应中的妙用
作者 : 未知

  氧化还原反应的实质是电子的转移,遵循电子得失守恒的原则,即同一反应中,物质失去(或吸引)电子的总数与物质得到(或偏离)电子的总数相等。根据氧化还原反应中蕴含的这一规律,可以高效快捷地解决有关氧化还原反应的相关问题,使学生透过现象看本质,灵活地做到融会贯通、举一反三。
  一、“方程式配平”中的应用
  氧化还原方程式配平可以利用五个字来描述:“标、等、定、平、查”。其中“等”和“查”都要用到得失电子守恒法。无论是正向配平、逆向配平还是综合配平,关键是要找准“研究对象”,然后结合“电子守恒法”就能简单、快捷地解决问题。
  例1配平下列氧化还原方程式。
  (1)NH3+O2→NO+H2O
  分析标价NH3中N:-3→+2↑ NH3失5e-
  O2中O: 0→-2↓ O2得2e-×2=4e-
  根据“守恒法”,则NH3与O2的化学计量数之比为4∶5,再利用“观察法”进行配平,就可得:4NH3+5O24NO+6H2O
  (2)P+CuSO4+H2O→Cu3P+H3PO4+H2SO4
  分析标价即所选择的研究对象为Cu3P和H3PO4,则可以表示为:
  Cu3P中,Cu:+2→+1↓得e-×3=3e-
  P:0→-3↓得3e-
  Cu3P共得3e-+3e-=6e-
  H3PO4中P:0→+5↑ H3PO4失5e-
  根据“守恒法”,则Cu3P和H3PO4的化学计量数之比为5∶6,再利用“观察法”进行配平,就可得:11P+15CuSO4+24H2O
  5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4
  (3)Cu+HNO3→Cu(NO3)2+NO↑+H2O
  分析标价、观察可以发现,方程式中铜元素与氮元素的化合价发生了变化,但是氮元素为部分化合价改变,故可以选择Cu和NO为研究对象,则可以表示为:
  Cu:0→+2↑2e-Cu失2e-
  NO:+5→+2↓3e-NO得3e-
  根据“电子守恒法”,2与3的最小公倍数为6,则Cu与NO的化学计量数之比为3∶2,再利用“观察法”进行配平,就可得:
  3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
  由此可见,氧化还原反应配平的根本就是得失电子的守恒,能够快捷地找出氧化剂(或者氧化产物)与还原剂(或者还原产物)之间的化学计量数之比,从而简化过程。
  二、在“电化学”中的应用
  电化学的实质就是电子的定向移动,这其中正负两极(或者阴阳两极)得失电子总数相等,据此原理就可以计算相关的问题。
  例2石墨做电极,电解R(NO3)x溶液,阳极放出气体560 mL(标准状况下),阴极析出m g金属R,试求R的相对原子质量。
  分析根据题意可得,电解池的电极反应:
  阴极:Rx++xe-R
  阳极:4OH--4e-O2↑+2H2O
  根据“电子守恒法”,则有:m gM×x=560 mL×10-3L/mL22.4 L/mol×4,解得M=10mx g/mol,故R的相对原子质量为10mx。
  三、“综合计算”中的应用
  氧化还原计算需要与质量守恒、原子守恒、元素守恒和电荷守恒中的一种或几种来进行共同攻克,才能实现对问题的解决。
  例3一定质量的由氧化铜、氧化铁和铁粉组成的混合粉末,与100 mL 4.4 mol/L的盐酸恰好完全反应,得到896 mL气体(标准状况下),假如反应后的溶液中只有HCl和FeCl2,还有1.28 g固体,将溶液加水稀释到320 mL,得出此时溶液中盐酸的物质的量浓度为0.25 mol/L,试求混合物中各物质的质量。
  分析这是一道综合性的题,其中所涉及到的方程式比较多,需要学生审清题意,明确各个量之间的关系,从而找出问题解决的突破口。
  因为溶液中有盐酸剩余,故溶液中的固体只能是金属铜,故可以得出:
  m(CuO)=1.28 g64 g/mol×(64+16)=1.6 g
  根据题意,总的盐酸:n(HCl)=100 mL×10-3×4.4 mol/L=0.44 mol
  剩余的盐酸:n(HCl)=320 mL×10-3×0.25 mol/L=0.08 mol,
  生成的氢气:n(H2)=896 mL×10-322.4 L/mol=0.04 mol
  设混合物粉末中铁的物质的量为x mol,氧化铁的物质的量为y mol。
  在此过程中有:Fe:0→+2↑失电子:2x mol
  H2:+1→0↓得电子:0.04 mol×2=0.08 mol
  CuO:+2→0↓得电子:1.28 g64 g/mol×2=0.04 mol
  Fe2O3:+3→+2↓得电子:2y mol
  根据“电子守恒法”可得:
  2x=0.08+0.04+2y ①
  根据“Cl-守恒”可得:
  2x+4y+0.08=0.44 ②
  联立①②可得:x=0.1 mol,y=0.04 mol
  则有m(Fe)=0.1 mol×56g/mol=5.6g,
  m(Fe2O3)=0.04 mol×(56×2+16×3)g/mol=6.4 g。
  由此可见,“电子守恒法”的应用简化了过程,避免了对众多方程式之间的关系分析,使得过程变得清晰明了。
  (收稿日期:2015-07-15)

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