氧化還原反應的配平原則及技巧

2021-03-05 高中化學

化學反應方程式嚴格遵守質量守恆定律,書寫化學反應方程式寫出反應物和生成物後,往往左右兩邊各原子數目不相等,不滿足質量守恆定律,這就需要通過配平來解決。

2.化合價升降守恆原則:氧化劑化合價降低的總數值與還原劑化合價升高的總數值相等。

3.電子守恆原則:反應中還原劑失去電子的總數與氧化劑得到電子的總數相等 。4.電荷守恆原則:若為離子反應,反應前後離子所帶正負電荷總數相等。1.一標:標明反應前後化合價有變化的元素的化合價 。2.二等:通過求最小公倍數使化合價升降總值相等 。氧化劑(還原劑)化學計量數=降(升)價的最小公倍數÷1mol氧化劑(還原劑)降(升)價總數 。

此處我們使用氨的催化氧化的反應作為例子進行講解:

① 寫出反應物和生成物的化學式,並標出變價元素的化合價

②列出反應前後同種元素化合價的升降變化

N的化合價由-3價變至+2價,故上升5價

O的化合價由0價降至-2價,每個O2含2個O. 故下降2×2=4價

③根據升降價求最小公倍數,使化合價升降總數相等

④觀察法,根據已配平的物質將其他物質配平

⑤根據原子守恆檢查無誤後完成配平

【練習】(2016·天津)配平反應方程式:

MnO(OH)2+I-+H+→Mn2++I2+H2O,其化學計量數依次為____________________。

【解析】根據化合價升降守恆,配平得MnO(OH)2+2I-+4H+=Mn2++I2+3H2O,故答案為:1,2,4,1,1,3;

若氧化劑(或還原劑)中某元素化合價只有部分改變,配平宜從氧化產物、還原產物開始,即先考慮生成物,逆向配平;自身氧化還原反應方程式(歧化反應),宜從生成物開始配平,即逆向配平,原理和正向配平完全一致。例1:P + CuSO4 + H2O - Cu3P + H3PO4 + H2SO4該反應的氧化劑是P、CuSO4,還原劑是P,以反應物作標準求得失電子數比較困難,但是氧化產物只H3PO4、還原產物只Cu3P,所以以1mol H3PO4 和1mol Cu3P作標準物容易求得失電子數。答案:11P + 15CuSO4+24H2O - 5Cu3P + 6H3PO4+15H2SO4

【練習】1.配平下列氧化還原反應方程式

(1) CuS+   HNO3(濃)— Cu(NO3)2+   H2SO4+   NO↑+   H2O  

(2) KMnO4+   HCl(濃) —  KCl+   MnCl2+   Cl2↑+   H2O 

【答案】

(1)3CuS+   14HNO3(濃)= 3Cu(NO3)2+   3H2SO4+   8NO↑+   4H2O  

(2)2KMnO4+   16HCl(濃) = 2KCl+   2MnCl2+   5Cl2↑+   8H2O 

當遇到一種物質中有兩種元素變價時,可以進行整體配平。此處我們使用硫化亞銅和硝酸的反應作為例子:①和正向配平一樣,寫出反應物和生成物的化學式,並標出變價元素的化合價;列出反應前後同種元素化合價的升降變化;根據升降價求最小公倍數,使化合價升降總數相等此處注意:由於產物硝酸銅的硝酸根直接來自於硝酸並未變價,故①中已配平的10個硝酸不含硝酸銅中的硝酸根。換言之,硝酸銅中的硝酸根需要額外增加硝酸來提供!於是配平如下:如果所給的化學方程式中有反應物或生成物沒有寫出來,在配平時,如果所空缺的物質不發生電子的得失,僅僅是提供一種發生反應的酸、鹼、中性的環境,一般先確定氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的化學計量係數,再通過比較反應物與生成物,確定缺項(一般為H2O、H+或OH-),最後觀察配平。例:BiO3- + Mn2++      -   Bi3+ + MnO4-+ H2O【解析】首先根據化合價的升降配平有變價元素的有關物質:5BiO3- +2 Mn2++        -  5 Bi3+ +2 MnO4-+H2O根據氧原子守恆,可以確定H2O 的係數為7,根據質量守恆和電荷守恆規律可以確定反應物所缺的是氫離子H+。答案:5BiO3- +2Mn2+ +14H+ = 5Bi3+ +2MnO4-+7H2O

【練習】(2015·浙江)完成以下氧化還原反應的離子方程式:

(     )MnO4-+(     )C2O42-+______=(     )Mn2++(     )CO2↑+________

【解析】MnO4-→Mn2+,Mn的化合價降低5,C2O42-→2CO2,C的化合價升高2,根據化合價升降相等,變化可得:2MnO4-+ 5C2O42- == 2Mn2+ + 10CO2↑,該反應只能在酸性條件下進行(因為生成Mn2+),再根據原子數守恆可得完整的化學方程式:2MnO4-+ 5C2O42- + 16H+ == 2Mn2+ + 10CO2↑+ 8H2O

設某一反應物或生成物(一般選用組成元素較多的物質作基準物)的化學計量數為1,其餘各物質的化學計量數可根據原子守恆原理列方程求得。 

例:P4O+Cl2→POCl3+P2Cl6

【解析】可令P4O前的係數為1,Cl2的係數為x,則 1P4O+xCl2→POCl3+3/2P2Cl6 ,再由Cl原子守恆得2x=3+3/2×6 得x=62P4O+12Cl2→2POCl3+3P2Cl6。先令無法用常規方法確定化合價的物質中各元素均為零價,然後計算出各元素化合價的升降值,並使元素化合價升降總數相等,最後用觀察法配平其他物質的化學計量數。例:Fe3C+HNO3=Fe(NO3)3+CO2↑+NO2↑+H2O

【解析】複雜化合物Fe3C按照常規方法分析,無法確定其Fe和C的具體化合價,此時可令組成物質的各元素化合價為零價,根據化合價升降法配平。

Fe3C+22HNO3=3Fe(NO3)3+CO2↑+13NO2↑+11H2O。 

當某元素的原子在某化合物中有數個時,可將它作為一個整體對待,根據化合物中元素化合價代數和為零原則予以整體標價。例:S+Ca(OH)2→CaSx+CaS2O3+H2O【解析】生成物CaSx、Ca2S2O3中的Sx、S2作為一個整體標價為-2、+4價,則化合價升降關係為: 即可配平:2(x+1)S + 3Ca(OH)2 = 2CaSx + CaS2O3 + 3H2O。當同一反應物中的同種元素的原子出現兩次且價態不同時,可將它們同等對待,即假定它們的化合價相同,根據化合物中化合價代數和為零的原則予以平均標價,若方程式出現雙原子分子時,有關原子個數要擴大2倍。
例:試配平

NH4NO3- HNO3+N2↑+H2O。
【解析】NH4NO3中N的平均化合價為+1價,元素化合價升降關係為:
NH4NO3 → HNO3:

+1→+5 升4×1價
NH4NO3 → N2: +1→0 降1×2價
易得 5NH4NO3 = 2HNO3 + 4N2↑ + 9H2O。

有機物中元素的化合價一般來講,氫元素顯+1價,氧元素顯-2價,然後再根據化合價的代數和為零求酸碳元素的平均化合價。再根據還原劑化合價升高總數與氧化劑化合價降低總數相等原則,結合觀察法配平。 例:H2C2O4 + KMnO4 +H2SO4 - CO2↑+ K2SO4 + MnSO4 + H2O【解析】H2C2O4中,令H 為+1價,O為-2價,則C的平均化合價為+3價。1個H2C2O4 化合價升高數為2,1個 KMnO4 化合價降低數為5,最小公倍數為10,故H2C2O4的係數為5,KMnO4的係數為2。

配平的方程式為:5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4 =10CO2↑+K2SO4+2MnSO4+8H2O

【練習】乙醇與重鉻酸根離子在酸性溶液中能發生如下反應:C2H5OH+Cr2O72-+H+→CO2↑+Cr3++H2O,當這個方程式配平後,H+的化學計量數為( )

A.10    B.12     C.14    D.16

【答案】D

【解析】C2H5OH中C元素的化合價為-2價,根據得失電子守恆可得配平的離子方程式為:C2H5OH+2Cr2O72-+16H+=2CO2↑+4Cr3++11H2O。

圖片水印顯示,該文來自中學化學園

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