構建化合價升降法配平方法體系初探

李順友

一、為什么要構建化合價升降法配平方法體系

高考對“氧化還原反應方程式配平”提出明確的考查要求，書寫氧化還原反應方程式成為一項考查熱點?；蟽r升降法是常用的配平氧化還原反應方程式的一種重要方法。教學實踐表明，學生要熟練正確地使用化合價升降法配平類型各異、復雜多變的氧化還原反應方程式，僅憑教材提供的配平原則與基本步驟是遠遠不夠的，還需要補充學習多種配平方法，如順向配平法、逆向配平法、組合法、折分法、零價配平法等等。而教師補充的多種配平方法往往是圍繞配平過程中遇到的各種難題，僅從氧化還原反應方程式外表形式的異同歸納出的解決方法，因此這些方法屬于經(jīng)驗性方法。這些方法由于彼此間缺乏聯(lián)系，顯得零碎，缺乏概括化與系統(tǒng)化，導致化合價升降法這種配平方法的整體適用性受到極大的限制。同時使這些本應蘊含豐富道理的方法變成了一個個不講理的硬性規(guī)定，造成學生學習時只能被動機械地接受，難以做到理解性認同，運用時學生易生搬硬套，難以做到靈活機動。由于這些配平方法屬于經(jīng)驗性的，必然受到經(jīng)驗的制約，在實際配平過程中，學生遇到素未謀面的新類型時常會束手無策，不能創(chuàng)造性地加以解決，因此有必要對教師補充的各種經(jīng)驗性配平方法所涉及的配平問題進行深層探究，從各種配平問題解決方法的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系角度去揭示規(guī)律性配平方法，構建較為完善的化合價升降法配平方法體系，從而達成極大地提升化合價升降法的配平能力。

二、怎樣構建化合價升降法配平方法體系

經(jīng)探究，筆者認為，較為完善的化合價升降法配平方法體系應有兩個部分組成：第一部分為化合價升降法原有內(nèi)容，即配平的原則與基本步驟；第二部分為化合價升降法新增內(nèi)容，即“四點補充”（詳見后文）?，F(xiàn)將本人對化合價升降法原有內(nèi)容的粗淺認識以及化合價升降法新增內(nèi)容分別介紹如下。

（一） 對化合價升降法原有內(nèi)容的認識

配平的原則與基本步驟是化合價升降法的基本內(nèi)容，配平的基本步驟是根據(jù)配平原則編制而成，也是后續(xù)教學中深入揭示較為復雜帶有規(guī)律性配平步驟的基礎。

“化合價升降法的方法組成及其比較”見表1。

通過列表分析、比較，對化合價升降法將有一個較為清晰、粗略的整體認識。

（二） 化合價升降法新增內(nèi)容——“四點補充”

如果對教師補充的多種配平方法所解決的問題進行歸納，將發(fā)現(xiàn)所涉及的問題主要有三個：（1）價變元素的下標在哪些情形下要考慮，又在哪些情形下不要考慮？（2）如何將復雜的“二升一降或一升二降”型轉化為基本的“一升一降”型？（3）一次性配定物質(zhì)的化學計量數(shù)應遵循怎樣的配平順序？筆者認為，要成功地解決上述一系列的問題，順利配平各種類型的氧化還原反應方程式，化合價升降法在理論上還應補充以下重要內(nèi)容。

1. 物質(zhì)分類的三個層次

在氧化還原反應中，根據(jù)配平需要，物質(zhì)可分為三個層次。首先，在整個反應中，可依據(jù)所含元素化合價在反應前后是否發(fā)生變化，將物質(zhì)分為兩類，有變化的為參加氧化還原反應的物質(zhì)，沒有變化的則為沒有參加氧化還原反應的物質(zhì)；其次，在參加氧化還原反應的物質(zhì)中，可依據(jù)在反應中具有的身份（或作用）的種數(shù)，將物質(zhì)進一步分類，凡在反應中只具有一種身份（或作用）的物質(zhì)為單一性物質(zhì)，有兩種身份（或作用）的物質(zhì)則為雙重性物質(zhì)；最后，在具有單一性物質(zhì)中，物質(zhì)還可依據(jù)其對應的一個“分子”整體，是否作為計算元素化合價變化值的起算標準即基準進行分類，是為基準物質(zhì)，不是為非基準物質(zhì)。基準物質(zhì)可為反應物或生成物。很明顯，物質(zhì)分類三個層次的范圍由大到小。揭示物質(zhì)分類的三個層次是進一步揭示基準類型及其選擇方法和一次性配定化學計量數(shù)順序規(guī)律兩個關鍵性理論內(nèi)容的突破口和基礎。

2. 基準的類型及其選擇方法

列出元素化合價的變化是配平的第二步。大家知道，元素化合價變化值的多少跟用來計算的原子數(shù)存在匹配關系，因此計算元素化合價變化值時必須指明起算的標準。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，基準有兩種類型。絕大多數(shù)情形時，基準應用一個原子；某些特殊情形時，基準須用一個“分子”（即價變元素的下標要算上）。基準須用一個“分子”時，對應基準物質(zhì)一般必須同時滿足下列兩個條件：首先該物質(zhì)須有單一性，其次須是下列常見基本類型之一：（1）所含價變元素下標為偶數(shù)；（2）價變元素平均化合價為分數(shù)；（3）同時含有化合價同向變化的兩種元素。至于其他復雜類型的基準物質(zhì)，可運用對應基本類型確定方法的本質(zhì)思想靈活確定。

3. 一次性配定化學計量數(shù)的規(guī)律性順序

氧化還原反應方程式中各物質(zhì)化學計量數(shù)的配定順序，既不是隨意確定，也不是只憑經(jīng)驗，而是存在一定的客觀規(guī)律性。這種一次性配定化學計量數(shù)順序的規(guī)律可概括為“三先三后”。具體內(nèi)容為：（1）對于整個反應而言，參加氧化還原反應的物質(zhì)先配，沒有參加氧化還原反應的物質(zhì)后配；（2）在參加氧化還原反應的物質(zhì)中，單一性物質(zhì)先配，雙重性物質(zhì)后配；（3）在參與氧化（或還原）反應的單一性物質(zhì)中，基準物質(zhì)先配，非基準物質(zhì)后配。與所有規(guī)律性知識一樣，具體應用時還應講究靈活，切忌生搬硬套。

4. 兩個數(shù)字的化學意義

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，配平書寫格式中箭號上（或下）方兩個數(shù)字的化學意義與計算元素化合價變化值的基準類型有著對應的聯(lián)系?；鶞嗜粲靡粋€原子，則第一個數(shù)字表示一個原子發(fā)生化合價變化的數(shù)值，第二個數(shù)字表示發(fā)生對應化合價變化的原子數(shù)；基準若為一個“分子”，則第一個數(shù)字表示一個基準物質(zhì)“分子”中所含元素化合價變化的數(shù)值，第二個數(shù)字表示對應基準物質(zhì)的“分子”數(shù)。

以上是給化合價升降法方法體系在理論上的四點補充，是筆者在配平中學化學里出現(xiàn)的大量各類氧化還原反應方程式的過程中逐步歸納或抽象概括而成的，是配平基本步驟中關鍵性第二、三兩步的具體化、規(guī)律化，具有很強的可操作性。加上原有的配平原則與基本步驟，已初步形成比較完善的化合價升降法方法體系，為在教學中幫助學生突破配平難點，基本掃清了配平方法在理論上的障礙。

三、化合價升降法配平方法應用舉例與生成緣由

【簡析】在此反應中，參加氧化反應的Cu（只做還原劑）和Cu（NO3）2（只做氧化產(chǎn)物）都具有單一性，因此兩者均可先配；而參加還原反應的HNO3和 NO，由于HNO3（既做氧化劑又起酸的作用）具有雙重性，NO（只做還原產(chǎn)物）具有單一性，因此NO先配HNO3后配，且HNO3須在Cu（NO3）2 和NO的化學計量數(shù)均已配定后，才能一次性配定。

【緣由】參加氧化還原反應物質(zhì)身份（或作用）的種數(shù)與化學計量數(shù)之間存在著對應聯(lián)系。物質(zhì)有一種身份必然就有一個相對應的化學計量數(shù)，因此具有單一性物質(zhì)都可一次性配定；而具有雙重性物質(zhì)的化學計量數(shù)（即總化學計量數(shù)）應在兩種身份的化學計量數(shù)都配好后才能確定，因此具有雙重性物質(zhì)的一次性配定須后配。

【簡析】在此反應中，參加氧化反應的As2O3和H3AsO4 都具有單一性，但由于As2O3中所含價變元素砷的下標為偶數(shù)，所以As2O3是基準物質(zhì)，H3AsO4 是非基準物質(zhì)，這樣與化合價升高對應的兩個數(shù)字中，因第一個數(shù)字4（=2×2）表示1個As2O3分子中砷元素化合價升高4價，則第二數(shù)字3就表示As2O3 參加反應的分子數(shù)，而不是H3AsO4 的分子數(shù)，從而決定了這一對物質(zhì)在配平時，自然應先配As2O3 （基準物質(zhì)）后配H3AsO4（非基準物質(zhì)）。配平結果為：

【緣由】含價變元素下標為偶數(shù)的單一性物質(zhì)，基準用一個原子直接配出的化學計量數(shù)大多為分數(shù)，需調(diào)整為整數(shù)，比較麻煩；而基準用一個“分子”配出的化學計量數(shù)可達到一次性全為整數(shù)，與基準用一個原子配出的化學計量數(shù)出現(xiàn)分數(shù)調(diào)整后的結果相同。由此可以得到一條重要結論：在遇到含價變元素下標為偶數(shù)的單一性物質(zhì)時，計算所含元素化合價變化值的基準用一個“分子”比一個原子好。

【簡析】在Fe3O4中，鐵元素平均化合價為+，是分數(shù)。又因Fe3O4（只做氧化產(chǎn)物）具有單一性，因此鐵元素化合價升高值的計算基準應為一個Fe3O4“分子”。一個Fe3O4“分子”中鐵元素化合價升高（×3）或8價，是整數(shù)；氫元素化合價的降低值應以一個H2O（或H2 ）分子為基準計算，則為降2價。最后配平結果為：

【緣由】求算分數(shù)與整數(shù)間最小公倍數(shù)比較煩瑣，而求算整數(shù)間最小公倍數(shù)則比較簡便。將鐵元素化合價的升高值計算基準由一個鐵原子擴大為一個Fe3O4“分子”，能使鐵元素化合價的升高值不為分數(shù)而是整數(shù)，從而方便求算最小公倍數(shù)。

【簡析】此反應中Fe、S兩種元素的化合價同時升高，但來源于同一種現(xiàn)存的反應物FeS2，又因FeS2只做還原劑具有單一性，因此應以一個FeS2“分子” （即按兩種元素Fe和S的原子參加反應的最簡單個數(shù)比1‥2組合）為基準計算元素化合價升高值。因此配平結果為：

【緣由】只有將復雜的“二升一降或一升二降”型轉化為基本的“一升一降”型，才能計算最小公倍數(shù)。關鍵是如何根據(jù)具體情況靈活實施轉化。

多屆學生教學實踐的結果充分證明，這樣構建的化合價升降法配平方法體系比較完善，基本掃清了配平方法在理論上的障礙，極大地提升了化合價升降法的配平能力；與補充的多種經(jīng)驗性配平方法相比更易被學生理解和掌握，為幫助學生成功地突破配平難點構筑了堅實基礎。