巧用电子守恒原理解氧化还原反应计算题

来源:用户上传      作者: 穆昌洪

　　摘要：得失电子守恒是氧化还原反应的本质特征，电子守恒法是中学化学计算中的基本解题方法。本文对教学过程中常见的几种情况进行了系统的总结归纳，并配以典型的例题论述了运用电子守恒法可以快速解决氧化还原反应计算题的技巧。
　　关键词：电子守恒原理；氧化还原反应；计算题
　　中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）02-0097
　　氧化还原反应的本质是电子得失或偏移，在同一个氧化还原反应里，氧化剂得到电子的总数等于还原剂失去电子的总数，而电解或电镀实际上也是发生氧化――还原反应，因此，在同一时间内，阴极上物质得到电子的数目等于阳极上物质失去电子的数目。利用得失电子守恒来建立等式是快速解决氧化还原反应计算题的基本方法。下面通过几个例题，笔者谈谈电子守恒法在氧化还原反应计算中的应用。
　　一、省去中间过程，简化计算
　　例1. 将1.92gCu投入到一定量的浓硝酸中，随着反应的进行，生成气体的颜色逐渐变浅，当铜完全溶解后，共收集到xmL气体（标准状况）。将盛有等量该气体的容器倒入水中，欲使容器内气体恰好完全溶解于水，试求需通入氧气的体积（标准状况）？
　　解析：由题意可知，铜与一定量的浓硝酸反应，先生成红棕色的NO2，后生成无色的NO；若用常规解法，应先求出NO、NO2的物质的量，再根据：
　　4NO2+O2+2H2O 4HNO3
　　4NO+3O2+2H2O 4HNO3
　　计算出O2的物质的量，并求出其体积，此方法运算量大，中间计算多且复杂，容易出错。用电子守恒法综合考虑，可省去中间的各步计算，使计算简化。若由图示题意：HNO3→NO、NO2（xmL）→HNO3 ，就可发现Cu失去的电子总数等于O2得到的电子总数，即有2Cu～O2，由此可解V（O2）=××22.4L/mol=336mL
　　二、判断氧化产物或还原产物的化合价
　　例2. 24mL0.05mL-1的Na2SO3 溶液，恰好与20mL0.02mL-1的K2Cr2O7溶液完全反应，则铬元素在还原产物中的化合价为（ ）
　　A. +6 B. +3 C. +2 D. 0
　　解析：反应中的化合价变化为：Cr +6→x↑2×（6-x）， S+4→+6↓6-4=2。则有：20×10-3×0.02×2×（6-x）=24×10-3×0.05×2
　　解得x=3 答案：B
　　三、在电解类题中的应用
　　例3. 用两支惰性电极插入500mL AgNO3溶液中，通电电解，当电解液的PH从6.0变为3.0时（设电解时阴极没有H2析出，且电解前后溶液体积不变），电极上应析出银的质量是（ ）。
　　A. 27mg B. 54mg C. 108mg D. 216mg
　　解析：根据得失电子守恒写出电极反应式：
　　阴极：4Ag++4e=4Ag
　　阳极：2H2O-4e=O2+4H+
　　可知：Ag+―H+
　　1 mol 1 mol
　　x 1×10-3×0.5-1×10-6×0.5
　　x=5×10-4
　　则析出银的质量为：
　　5×10-4mol×108g・mol-1=5.4×10-2g=54mg
　　四、复杂氧化还原中局部使用电子守恒
　　例4. 在反应 11P+15CuSO4+24H2O=5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4中，1mol CuSO4 能氧化P的物质的量是（ ）
　　A. 2/5 mol B. 1/5 mol C. 11/5 mol D. 1/3 mol
　　解析：该氧化还原反应中氧化剂为硫酸铜和一部分的磷单质，也就是说11分子的磷单质中有5分子（化合价由0降低到-3价）作为氧化剂的，有6分子（化合价由0变化到+5）作为还原剂的，所以6分子作为还原剂的磷既被硫酸铜氧化，又被自身即另外5分子氧化，依据电子守恒，6分子作为还原剂的磷总共失去30个，其中硫酸铜得到15个，另外5分子磷得到15个，所以6分子作为还原剂的磷中由3个被硫酸铜氧化，3个被自身另外5个氧化。即15mol CuSO4氧化3mol P，1 mol CuSO4能氧化P原子的物质的量为1/5 mol，通过分析反应可知答案应该是B。
　　五、综合题中的应用
　　例5. 将0.04 mol KMnO4 固体加热，一段时间后收集到a mol气体，此时KMnO4分解率为x。在反应后的残留固体中加入足量的浓盐酸，又收集到 bmol气体（设Mn元素全部以+2价形式存在于溶液中）。试填写：
　　（1）a+b= （用x表示）
　　（2）当x= 时，a+b取最小值，且最小值为
　　（3）当a+b=0.09时，加热后所得残留固体的质量为
　　解析：不论是KMnO4的分解反应还是与浓盐酸的反应，它们都是氧化还原反应，在这个过程中必然有电子得失，且电子得失要守恒。
　　①KMnO4的Mn元素失电子：
　　Mn（+7）→ Mn（+2） 转移5个电子
　　0.04mol 0.2mol
　　0.04mol的KMnO4可以失去0.2mol的电子。
　　生成的气体：氧气（amol）和氯气（bmol）得电子：
　　它们得到的总的电子数为：4a+2b
　　由得失电子守恒可得：4a+2b=0.2 a+b=0.1-a
　　而又根据2KMnO4 === MnO2 + K2MnO4+ O2↑
　　2mol----------------------- 1mol
　　0.04x------------------------ a=0.02xmol
　　所以a+b= 0.1- 0.02x
　　②至于第二问，当x=1时，a+b取最小值，为0.08
　　③当a+b=0.09时，x=0.5，此时KMnO4分解0.02mol
　　2KMnO4=== MnO2+K2MnO4+O2↑------固体质量减轻
　　2mol----------------- 1mol------1*32=32g
　　0.02mol--- -xg
　　由2/0.02=32/x得：x=0.32g
　　所以剩余固体的质量为：0.04*（39+55+64）g-0.32g=120g
　　小结：涉及氧化还原反应的计算问题，其核心就是利用得失电子的物质的量守恒来建立等式，因此，准确找到氧化剂和还原剂得失电子的数目，并利用好总结出的公式是解这类问题的关键。
　　（作者单位：贵州省遵义县三盆中学 563100）
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