例析有變價元素參與的氧化還原反應(yīng)方程式的配平

劉艷

摘要：介紹了如何將歸一法和雙線橋法結(jié)合使用，配平有變價元素參與的氧化還原反應(yīng)方程式。提出配平時先觀察參與反應(yīng)的同種元素反應(yīng)前后化合價的變化，確定變價元素，合理“歸一”，再用雙線橋法配平“歸一”后的方程式，最后檢查整理，配平反應(yīng)方程式。該方法不僅能簡潔、準(zhǔn)確地配平反應(yīng)方程式，而且可以方便地求解方程式中參與反應(yīng)的各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比、電子轉(zhuǎn)移數(shù)。

關(guān)鍵詞：變價元素；氧化還原方程式；初始守恒

文章編號：1005–6629（2016）3–0087–06 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

氧化還原反應(yīng)（以下簡稱“氧-還反應(yīng)”），是一類非常重要的化學(xué)反應(yīng)，在實際生活和生產(chǎn)中均有廣泛應(yīng)用，例如電鍍、電解、燃燒等都有涉及到氧-還反應(yīng)，而像S、Cl、N、Mn等元素具有多種化合價，也就是變價元素，它們在氧-還反應(yīng)中會扮演“多面手”的角色——在同一反應(yīng)過程中，既參與化合價升高的氧化半反應(yīng)，又參與化合價降低的還原半反應(yīng)，配平這類元素參與的化學(xué)方程式時，學(xué)生感到困難較大。而將歸一法和雙線橋法兩者結(jié)合使用，可以解決有變價元素參與的氧-還反應(yīng)方程式的配平問題。

通常在配平方程式中用的歸一法，就是在方程式兩邊找到關(guān)鍵的化學(xué)式，將其化學(xué)計量數(shù)規(guī)定為1，再根據(jù)該關(guān)鍵化學(xué)式中各原子的個數(shù)去配平其他化學(xué)式，如果配平過程中化學(xué)計量數(shù)出現(xiàn)分?jǐn)?shù)，再將分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成最簡整數(shù)[1]。

本文中“一雙結(jié)合”的“一”就是“歸一”的意思，原理與配平方程式通常用的“歸一法”相同，但“歸一”的對象卻是變價元素，在含有變價元素參與的氧-還反應(yīng)方程式配平中，我們將變價元素的配平作為解決這類方程式配平的突破口。如果整個方程式中只有一種變價元素，我們就以僅有的這一種變價元素為著眼點；如果一個方程式中含有兩種及以上的變價元素，一般情況下以化合價變化較多的那個變價元素為著眼點。著眼點元素就是計量數(shù)要被“歸為1”的變價元素（下面無特殊說明，變價元素指的都是被列為著眼點的變價元素）。通過在方程式左邊含有變價元素的反應(yīng)物（或者方程式右邊含有變價元素的生成物）前乘以適當(dāng)?shù)挠嬃繑?shù)，使每個含有變價元素的反應(yīng)物（或者生成物）中變價元素原子個數(shù)為1，再按照反應(yīng)前后原子個數(shù)守恒規(guī)律，確定方程式右邊含有變價元素的生成物（或者方程式左邊含有變價元素的反應(yīng)物）前的計量數(shù)，使最終未配平前方程式兩邊變價原子個數(shù)先達(dá)到“初始守恒”，之后再按照反應(yīng)前后化合價升降總數(shù)相等的原則，配平氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物的計量數(shù)，最后用方程式中未參與氧-還反應(yīng)的原子檢查配平后的計量數(shù)是否正確。

“一雙結(jié)合”是通過在方程式一邊含有變價元素的物質(zhì)前乘以適當(dāng)?shù)挠嬃繑?shù)，將它們的原子個數(shù)歸為1，然后確定方程式另一邊含變價元素的物質(zhì)前的計量數(shù)，以達(dá)到變價元素原子個數(shù)“初始守恒”，再應(yīng)用“雙線橋”法確定反應(yīng)物中的氧化劑、還原劑及相應(yīng)的產(chǎn)物系數(shù)，最后確定方程式中其他參加非氧化還原的反應(yīng)物及其產(chǎn)物計量數(shù)，達(dá)到整個方程式配平。這種方法的核心是歸一。正確的歸一，能讓學(xué)生在配平方程式過程中更加清楚變價元素原子的反應(yīng)“路徑”，為解答有關(guān)電子轉(zhuǎn)移、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物摩爾比或者質(zhì)量比等問題掃清障礙。

2 “一雙結(jié)合”方法遵循的規(guī)律與原則

這種方法在配平過程中，始終遵循以下規(guī)律與原則：

（1）反應(yīng)前后原子個數(shù)守恒[2]。化學(xué)反應(yīng)前后遵循原子個數(shù)守恒的規(guī)律，當(dāng)然對于有變價元素參與的氧-還反應(yīng)來說，變價元素原子個數(shù)在反應(yīng)前后也應(yīng)遵循這一規(guī)律。這是“一雙結(jié)合”的核心依據(jù)。

（2）反應(yīng)前后得失電子總數(shù)相等[3]。在氧-還反應(yīng)中，氧化劑得到的電子（或者電子對偏向）總數(shù)必然等于還原劑失去的電子（或者電子對偏移）總數(shù)。這是應(yīng)用雙線橋配平方程式的理論依據(jù)。

（3）遵循客觀事實[4]。就是以客觀事實為基礎(chǔ)，物質(zhì)如能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后再依據(jù)質(zhì)量守恒定律，調(diào)整化學(xué)式前的化學(xué)計量數(shù)，使得式子左右兩邊達(dá)到原子的種類相同，數(shù)目相等。

3.1 有變價元素參與的歧化反應(yīng)

方程式形式及特點為：一種含有變價元素的反應(yīng)物→若干種含有變價元素的生成物（“一變多”型）。

例如：H2O2→H2O+O2↑

（1）變價元素在反應(yīng)前后有3種及以上的化合價。如舉例中的O元素在反應(yīng)前后的化合價分別為-1、-2、0價。

（2）變價元素在反應(yīng)前含在一種反應(yīng)物中，而反應(yīng)后含在兩種及以上的生成物中，如本例中O元素在反應(yīng)前含在H2O2中，反應(yīng)后在H2O和O2中都含有O元素。

3.2 有變價元素參與的歸中反應(yīng)

方程式形式及特點為：若干種含有變價元素的反應(yīng)物→一種含有變價元素的生成物（“多變一”型）。

例如：H2S+H2SO3→S+H2O

（1）變價元素在反應(yīng)前后有3種及以上的化合價。如舉例中的S元素在反應(yīng)前后的化合價分別為-2、+4、0價。

（2）變價元素在反應(yīng)前含在兩種及以上反應(yīng)物中，而反應(yīng)后含在一種生成物中，如本例中反應(yīng)物H2S和H2SO3中都含有S元素，反應(yīng)后只有S中含有該變價元素。

3.3 變價元素參與復(fù)雜氧-還反應(yīng)

方程式形式及特點為：兩種以上含有變價元素的反應(yīng)物→兩種以上含有變價元素的生成物（“多變多”型）。

例如：KClO3+HCl（濃）→Cl2↑+ClO2+KCl+ H2O

（1）變價元素在反應(yīng)前后有2種以上的化合價。如本例中的Cl元素在反應(yīng)前后的化合價分別為+5、-1、0、+4價。

（2）變價元素在反應(yīng)前含在兩種及以上反應(yīng)物中，而反應(yīng)后在另外兩種及以上的生成物中，如本例中反應(yīng)物KClO3和HCl中分別含有Cl元素，反應(yīng)后Cl2、ClO2和KCl都含有變價元素Cl。

見圖1。

例1 H2O2→H2O+O2↑方程式的配平

（1）判斷。本題中有一種變價元素O，它就是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“一變多”型的歧化反應(yīng)，可用“一雙結(jié)合”法配平。

（3）整理檢查。上述方程式中，還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物前的計量數(shù)已經(jīng)分別確定，此反應(yīng)產(chǎn)物中沒有非氧化還原產(chǎn)物，通過檢查可知各類元素反應(yīng)前后原子個數(shù)相等。故只需整理計量數(shù)即可，即方程式兩邊同乘以2，得到：

2H2O2=2H2O+O2↑[5]。

例2 S+NaOH→Na2S+Na2S2O3+H2O方程式的配平

（1）判斷。本題中有一種變價元素S，它就是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“一變多”型的歧化反應(yīng)，可用“一雙結(jié)合”法配平。

再應(yīng)用化合價升降總數(shù)相等進(jìn)行配平，為了便于配平此處將2S寫為S-S的形式。用雙線橋標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移：

此時S、Na、H三類元素的原子個數(shù)反應(yīng)前后相等，用O原子反應(yīng)前后個數(shù)是否相等，檢查方程式是否配平。通過檢查可知是相等的。故只需整理計量數(shù)即可，方程式兩邊同乘以2，得到：

4S+6NaOH=2Na2S+Na2S2O3+3H2O[6]。

例3 Cl2+K2CO3→KCl+KClO3+CO2方程式的配平

（1）判斷。本題中有一種變價元素Cl，它就是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“一變多”型的歧化反應(yīng)，可用“一雙結(jié)合”法配平。

（2）“一雙結(jié)合”。方程式右邊KCl、KClO3中Cl原子個數(shù)都為1，反應(yīng)物Cl2中Cl原子個數(shù)為2，這樣Cl原子個數(shù)已經(jīng)達(dá)到“初始守恒”，為了便于配平，此處將Cl2寫為Cl-Cl的形式，再應(yīng)用化合價升降總數(shù)相等進(jìn)行配平。用雙線橋標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移：

要使氧-還原反應(yīng)中升降電子總數(shù)相等，KCl的計量數(shù)為5，得失電子總數(shù)為5e-，那么“橋”左邊的Cl的計量數(shù)也應(yīng)為5。

（3）整理檢查。上述方程式中，還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物的計量數(shù)已經(jīng)分別確定，還需要確定非氧化還原反應(yīng)物K2CO3、非氧化還原產(chǎn)物CO2的計量數(shù)，由KCl和KClO3前的計量數(shù)可知，K2CO3前配3，再根據(jù)反應(yīng)前后C原子個數(shù)相等，CO2前配3，方程式變?yōu)椋?/p>

5Cl-Cl+3K2CO3→5KCl+KClO3+3CO2。

此時Cl、K、C三類元素的原子個數(shù)反應(yīng)前后相等，用O原子反應(yīng)前后個數(shù)檢查方程式是否配平。通過檢查可知是相等的。故只需整理計量數(shù)即可，得到：

3Cl2+3K2CO3=5KCl+KClO3+3CO2。

例4 H2S+H2SO3→S↓+H2O方程式的配平

（1）判斷。本題中有一種變價元素S，它就是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“多變一”型的歸中反應(yīng)，S既是氧化產(chǎn)物又是還原產(chǎn)物?？捎谩耙浑p結(jié)合”法配平。

（2）“一雙結(jié)合”。方程式左邊H2S、H2SO3中S原子個數(shù)都為1，生成物S乘以2，使S原子個數(shù)達(dá)到“初始守恒”，為了便于配平此處將2S寫為S-S的形式，再應(yīng)用化合價升降總數(shù)相等進(jìn)行配平。用雙線橋標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移：

要使氧化還原反應(yīng)中升降電子總數(shù)相等，H2S前配2，得失電子總數(shù)為4e-，那么“橋”右邊的S-S中氧化產(chǎn)物的S前配2：

（3）整理檢查。上述方程式中，還原劑H2S、氧化劑H2SO3和S的計量數(shù)都已確定，根據(jù)反應(yīng)前后H（或O）原子個數(shù)相等，H2O前配3，方程式變?yōu)椋?/p>

2H2S+H2SO3→2S-S+3H2O。

此時S、H（或O）兩類元素的原子個數(shù)反應(yīng)前后相等，再用O（或H）原子反應(yīng)前后個數(shù)是否相等，檢查方程式是否配平。通過檢查可知是相等的，故只需整理計量數(shù)即可得到：

2H2S+H2SO3=3S↓+3H2O[7]。

例5 HCl+KMnO4→KCl+Cl2+MnCl2+H2O方程式的配平

（1）判斷。本題中有Cl和Mn兩種變價元素，它們就是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“多變多”型的有變價元素參與的復(fù)雜氧-還反應(yīng)，從化合價變化分析可知，Cl2是氧化產(chǎn)物，MnCl2是還原產(chǎn)物，對應(yīng)的還原劑和氧化劑分別是HCl和KMnO4，可用“一雙結(jié)合”法配平。

（3）整理檢查。上述方程式中，MnCl2、Cl2、KMnO4、HCl的計量數(shù)都已確定，根據(jù)反應(yīng)前后H（或O）原子個數(shù)相等，H2O前的計量數(shù)為4，方程式變?yōu)椋?/p>

此時S、H（或O）兩類元素的原子個數(shù)反應(yīng)前后相等，再用O（或H）原子反應(yīng)前后個數(shù)是否相等，檢查方程式是否配平。通過檢查可知是相等的，故只需整理計量數(shù)即可得到：

16HCl+2KMnO4=2KCl+5Cl2+2MnCl2+8H2O[9]。

例6 KClO3+HCl（濃）→ClO2+Cl2+KCl+H2O方程式的配平

（1）判斷。本題中Cl為變價元素，它是該方程式中的著眼點變價元素，屬于“多變多”型的有變價元素參與的復(fù)雜氧-還反應(yīng)，這里最為關(guān)鍵的是確定氧化、還原產(chǎn)物。反應(yīng)前Cl元素化合價為+5、-1價，反應(yīng)后為+4、0、-1價，從化學(xué)反應(yīng)化合價不交叉規(guī)律可知ClO2是還原產(chǎn)物，Cl2是氧化產(chǎn)物，KCl、H2O是非氧化還原產(chǎn)物，對應(yīng)的還原劑和氧化劑分別是HCl和KClO3，但HCl除了作還原劑外，還體現(xiàn)酸性，發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成KCl?？捎谩耙浑p結(jié)合”法配平。

（3）整理檢查。上述方程式中，KClO3、Cl2、ClO2的計量數(shù)都已確定，根據(jù)反應(yīng)前后K原子個數(shù)相等，KCl前配1，從而進(jìn)一步確定HCl前配2，最后確定H2O前配1，方程式變?yōu)椋?/p>

再用反應(yīng)前后O原子個數(shù)檢查方程式是否配平。通過檢查可知是相等的，故只需整理計量數(shù)即可得到：

2KClO3+4HCl（濃）=2ClO2+Cl2+2KCl+2H2O[10]。

配平化學(xué)反應(yīng)方程式看似簡單，其實它是對學(xué)生化學(xué)知識掌握情況的綜合考量。在配平中如果對反應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)比較熟悉，就能快速判斷參加氧-還反應(yīng)的氧化劑、還原劑及對應(yīng)的產(chǎn)物，靈活運用配平方法，而這些都要靠平時學(xué)習(xí)的積累和總結(jié)。

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