電子守恒法在配平復(fù)雜有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程式中的應(yīng)用

崔文輝,賈如琰，聶龍英

(隴南師范高等?？茖W(xué)校農(nóng)林技術(shù)學(xué)院，甘肅 成縣 742500)

在任何一個(gè)氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子均來自還原劑所失去的電子，且得失數(shù)目必然相等，這就是電子守恒定律。在配平時(shí)，通過分析元素化合價(jià)的變化很容易確定還原劑和氧化劑及其電子得失的數(shù)目，當(dāng)使得氧化劑和還原劑電子得失數(shù)目相等時(shí)，其相應(yīng)的化學(xué)式前面的計(jì)量系數(shù)已經(jīng)確定。其余分子式前面的計(jì)量系數(shù)再通過相關(guān)元素原子的數(shù)目守恒原理，經(jīng)過簡單計(jì)算而確定。

在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中，與無機(jī)化學(xué)相比，需要嚴(yán)格配平的化學(xué)反應(yīng)方程式數(shù)量相對非常少，"配平問題"通常也不是教學(xué)的重點(diǎn)。但是，也有個(gè)別幾個(gè)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程式[1]，僅用觀察法不容易嘗試出正確的結(jié)果，配平后分子式前化學(xué)計(jì)量系數(shù)并不簡單，這些數(shù)字非常直觀的折射出配平問題的復(fù)雜性。如圖1所示乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色的反應(yīng)[1]，以及實(shí)驗(yàn)室用金屬錫加鹽酸還原硝基苯制取少量苯胺的反應(yīng)等[2]。應(yīng)用電子守恒法配平氧化還原化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)，首先要分析元素化合價(jià)變化，在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，其中最為常見的是對C、N兩種元素的化合價(jià)的確定問題，由于這兩種元素在不同的有機(jī)化合物中化合價(jià)是不同的，需要對相關(guān)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分析。對于有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)而言，初學(xué)者因剛接觸這方面的知識，經(jīng)驗(yàn)不足而普遍感到困難，客觀上需要在課堂上給予分析講解。本文利用氧化還原反應(yīng)中電子守恒原理，專門對2個(gè)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行配平，從而進(jìn)一步揭示和呈現(xiàn)電子守恒法在配平有機(jī)氧化還原反應(yīng)方程式中獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖1 化學(xué)計(jì)量系數(shù)比較大的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程式

1 分析反應(yīng)式中各元素化合價(jià)，找出還原劑和氧化劑

也許是由于乙烯與酸性高錳酸鉀反應(yīng)方程式的產(chǎn)物的復(fù)雜性和配平的難度，在許多的大學(xué)有機(jī)化學(xué)教材中都沒有給出乙烯與酸性高錳酸鉀的反應(yīng)方程式。學(xué)生只有通過查找資料才能寫出相關(guān)反應(yīng)方程式。

示例1：對于乙烯與酸性高錳酸鉀反應(yīng)方程式而言，通過分析反應(yīng)式中各元素化合價(jià)，很容易發(fā)現(xiàn)C和Mn兩種元素反應(yīng)前后有變化，分別是還原劑和氧化劑。如圖2中(1)～(3)式所示。

圖2 元素化合價(jià)變化關(guān)系

乙烯分子中碳元素化合價(jià)分析：

在乙烯分子中每個(gè)C原子結(jié)合2個(gè)H原子，由于C元素電負(fù)性比H元素的大，C、H原子間共用電子對偏向于C原子，故認(rèn)為H元素顯正價(jià)，C元素顯負(fù)價(jià)。此外，乙烯分子中2個(gè)C原子以雙鍵相互鍵合，由于是同種元素之間成鍵，可認(rèn)為相當(dāng)于單質(zhì)，化合價(jià)當(dāng)作零對待。這樣計(jì)算C元素化合價(jià)的代數(shù)和得出其在乙烯分子中的表觀化合價(jià)為-2價(jià)，如圖3中的(4)～(5)式所示。

圖3 乙烯分子中碳元素化合價(jià)分析

2 分析反應(yīng)中單個(gè)原子反應(yīng)前后電子得失數(shù)目

接下來分析C,Mn兩種元素單個(gè)原子反應(yīng)前后電子得失數(shù)目，如圖4中的(6)、(7)式所示：

圖4 反應(yīng)中相關(guān)原子電子得失數(shù)目

3 根據(jù)一個(gè)分子組成中實(shí)際所含相關(guān)元素原子的數(shù)目，分別計(jì)算出反應(yīng)中得與失電子的總數(shù) ，在使電子得失數(shù)目相等時(shí)確定了氧化劑和還原劑分子式前系數(shù)

在考慮到一個(gè)分子組成中實(shí)際所含相關(guān)元素(C,Mn)原子的數(shù)目的前提下，分別計(jì)算出得與失電子的總數(shù)，并根據(jù)電子守恒原理，通過最小公倍數(shù)的方法求得還原劑和氧化劑所需各自的原子的個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到相應(yīng)分子式前系數(shù)。如圖5中的(8)式所示，在反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移總數(shù)為60的前提下，需要5個(gè)乙烯分子和12個(gè)高錳酸鉀分子參與反應(yīng)。

圖5 氧化劑和還原劑分子式前計(jì)量系數(shù)的確定

4 用觀察法配平其它元素原子個(gè)數(shù)

圖6 觀察法配平其他元素(Mn、K、S、H)原子個(gè)數(shù)

示例2：實(shí)驗(yàn)室制取少量苯胺常用錫加鹽酸還原硝基苯的反應(yīng)。

要理解該方程式的配平，首先需了解硝基的結(jié)構(gòu)及其中氮元素的化合價(jià)，硝基化合物結(jié)構(gòu)式如圖7所示。

圖7 硝基化合物分子結(jié)構(gòu)式的常見兩種寫法

硝基化合物和苯胺分子中N元素化合價(jià)如圖8所示，雖然N原子與2個(gè)O原子之間以一個(gè)雙鍵和1個(gè)單鍵結(jié)合，但由于N-O單鍵是以N原子一方單獨(dú)提供2個(gè)電子與氧原子空軌道配位而成的，故，共有4個(gè)電子偏離N原子而呈現(xiàn)+4價(jià)。同時(shí)，N原子與C原子結(jié)合的單鍵之中，電子對是偏向N原子的，而呈現(xiàn)-1價(jià)，綜合考慮后計(jì)算N元素化合價(jià)的代數(shù)和是+3價(jià)。

圖8 硝基化合物和苯胺分子中N元素化合價(jià)分析

接下來，標(biāo)出發(fā)生氧化還原反應(yīng)的相關(guān)元素的化合價(jià)。

由生成物四氯絡(luò)錫酸苯胺鹽1個(gè)分子中有2個(gè)氮原子反推出至少需要2個(gè)硝基苯分子參與反應(yīng)，所以參與得電子的N原子數(shù)至少要按2個(gè)計(jì)算。根據(jù)電子守恒原理，可首先確定與N,Sn元素原子相關(guān)的硝基苯分子和錫原子的系數(shù)，如圖9所示。

圖9 硝基苯和金屬錫分子式前計(jì)量系數(shù)的確定

用觀察法通過計(jì)算Cl、H原子的個(gè)數(shù)確定HCl分子式前的系數(shù)，如圖10所示。

圖10 HCl分子式前計(jì)量系數(shù)的確定

綜上所述，電子守恒法用于配平有機(jī)氧化還原反應(yīng)方程式，關(guān)鍵是正確分析相關(guān)有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，得出發(fā)生電子得失或偏移的元素的化合價(jià)，配平方程式時(shí)先使反應(yīng)中得失電子數(shù)目相等，就是找準(zhǔn)了問題的關(guān)鍵，具有準(zhǔn)確、高效、簡便等優(yōu)點(diǎn)。