對“元素消去法”配平方程式有關問題的商榷及建議

吳孫富 秦麗 張圣濤

摘要：肯定了“元素消去法”配平氧化還原反應方程式的新穎性及其在實際配平中的應用。指出了文獻[1]在配平中隨意認定化合價的錯誤并分析了出現(xiàn)錯誤的原因，簡要說明了有機物中元素化合價的確定方法。對幾例無機及有機氧化還原方程式作了配平和解析，在此基礎上完善了“元素消去法”配平氧化還原方程式的基本原理和配平步驟。

關鍵詞：元素消去法；氧化還原；方程式配平

文章編號：1005–6629（2016）3–0094–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

研讀了2015年第10期《化學教學》中的論文“用元素消去法配平氧化還原反應方程式”[1]，認為文中提出的“元素消去法”配平氧化還原反應方程式的過程簡捷，思維難度較小，較容易被學生理解和接受，用于配平一些難度較大的氧化還原反應方程式是一種很有創(chuàng)意的新方法。但是該文在用“元素消去法”配平有關化學方程式時所持的化合價觀點是需要商榷的。作為一種新的配平方法，“元素消去法”配平氧化還原反應方程式的消去原理和配平步驟還需要進一步完善，配平過程中的部分疑難問題也需要進一步闡明。為了使“元素消去法”更好地被廣大師生理解和接受，筆者在此特就“元素消去法”中的化合價問題、“元素消去法”的消去原理和配平步驟及配平過程中的疑難問題進一步分析闡述如下。

1.1 化合價是科學結論，不得隨意主觀認定

在配平化學方程式Na2Sx+NaClO+NaOH→Na2SO4+NaCl+H2O時，文獻[1]是經歷了如下三步消去之后再“配平系數(shù)”、“復原補全”化學方程式的。

在第二步消去中，文獻[1]主觀地將ClO-中Cl元素的化合價看成了-1價、O元素的化合價看成了0價。盡管作者在這種隨意地主觀認定下較順利地配平了該化學方程式，但這是違背科學實際的。

通過高中化學的學習，學生都知道，化合價實際上表示了原子間得失電子的數(shù)目或原子間共用電子對的數(shù)目。在NaClO中，氧原子從鈉原子那里得到了一個電子、氧原子與氯原子共用了一對電子，且氧原子吸引共用電子對的能力比氯原子強，所以ClO-中的氧原子為-2價、氯原子為+1價。因此，將ClO-中Cl元素的化合價看成-1價、O元素的化合價看成0價是不科學的做法，應該糾正。

文獻[1]之所以主觀認定ClO-中氧元素和氯元素的化合價，是由于作者選錯了消去對象。在選錯消去對象的情況下，又必須將化學方程式配平，作者就不得不將ClO-中Cl元素的化合價主觀地看成-1價、O元素的化合價主觀地看成0價。事實上，在配平化學方程式Na2Sx+NaClO+NaOH→Na2SO4+NaCl+H2O時只要進行如下兩步消去就可以“配平系數(shù)”、“復原補全”得到正確的配平的化學方程式Na2Sx+（3x+1）NaClO+（2x-2）NaOH= xNa2SO4+（3x+1）NaCl+（x-1）H2O。

在這兩步消去中所用的是大家熟知的科學的化合價，沒有主觀認定的化合價，這說明正確地選擇消去元素是“元素消去法”配平氧化還原反應化學方程式的重要環(huán)節(jié)。

1.2 有機物中的化合價問題

現(xiàn)行的大、中學化學教學所講的化合價主要是針對無機物的，現(xiàn)行化學教學一般沒有考慮有機物中元素的化合價，而教學中時常會遇到有機物參加的氧化還原反應方程式的配平，所以我們有必要明確一下有機物中各元素化合價的確定方法。

在“基團化合價標定法配平有機氧化還原反應方程式”[2]中，作者曾經對有機基團中各元素化合價的確定提出了如下建議：將被氧化的基團和氧化生成的相應基團的化合價確定為0價，氫氧等原子的化合價當作+1、-2，據(jù)此分析確定基團內其他原子的化合價。如-CH3中碳的化合價為-3，-COOH中碳的化合價為+3。參考此建議，對于某有機物而言，我們可以將該有機物分子的化合價確定為0價，氫氧原子的化合價分別當作+1、-2，先確定基團中非碳原子的化合價，然后再計算確定分子中碳原子的平均化合價。例如，CH3CH2-NO2分子中所含-NO2中氮原子的化合價為+4，CH3CH2-NO2中碳原子的平均化合價為-5/2；當然，我們也可以說甲基CH3-中碳原子的化合價為-3，次甲基-CH2-中碳原子的化合價為-2。對于有機物而言，碳原子的化合價究竟是算平均化合價還是算各個基團中碳原子的化合價呢？這要根據(jù)實際配平時使用哪種化合價更方便來確定。

在配平化學方程式C6H12O6+K2CrO7+H2SO4→K2SO4+Cr2（SO4）3+CO2↑+H2O時，文獻[1]沒有說明C6H12O6中各元素化合價的確定方法，但作者所確定的C6H12O6中的碳元素的化合價與用上述方法確定的C6H12O6中的碳元素的化合價是相同的。

2.1 “元素消去法”配平例析

為了較準確地說明“元素消去法”的消去原理和配平步驟，筆者先在此較為詳細地解析幾個氧化還原反應方程式的配平。

例1 配平Fe3C+HNO3（濃）→Fe（NO3）3+NO2↑+CO2↑+H2O

解析：此化學方程式的特點是將Fe3C中的鐵元素看成+3價時，氧化劑HNO3被還原成了NO2，還原劑Fe3C被氧化成了CO2。用“元素消去法”配平此類化學方程式時需經歷如下三個步驟。

①消去所有價態(tài)未發(fā)生變化的元素得

C9-+N5+→N4++C4+

②配平原子數(shù)和電荷數(shù)得

C9-+13N5+=13N4++C4+

③復原補全得配平的化學方程式

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

例2 配平P4+P2I4+H2O→PH4I+H3PO4

解析：此化學方程式有兩個特點，一是反應物和產物各有兩種含磷（一為單質）物質，且四種含磷物質中磷元素的化合價互不相同；二是產物PH4I和H3PO4都含有氫元素。此類化學方程式的配平一般要經歷如下四個步驟。

①消去價態(tài)未發(fā)生變化且系數(shù)關系簡單的元素碘得

P4+P+H2O→PH+H3PO4

②分析確定PH4I和H3PO4的最簡比例以便消去氫氧兩種元素。由于PH4I和H3PO4中的氫氧元素均來源于H2O，所以二者的比例受限于H2O的組成。又由于H3PO4可看成是H5PO5脫去一個水分子后生成的，所以將H3PO4改寫成H5PO5進行討論。PH4I和H5PO5的比例為5：4時，二者所含氫氧元素的比例剛好滿足水的組成關系，按PH4I和H5PO5的比例5：4消去元素氫和氧得

P4+P2

4+→5P3-+4P5+

②配平原子數(shù)和電荷數(shù)得

13P4+10P24+=40P3-+32P5+

④復原補全得配平的化學方程式

13P4+10P2I4+128H2O=40PH4I+32H3PO4

例3 配平RuS2+KClO3+HCl→RuO4+RuCl3+ H2S↑+S+KCl

解析：此化學方程式有兩個特點，一是反應物KClO3和產物KCl含有相同的組成KCl，且鉀元素只存在于這兩種物質中，二者必有相同的系數(shù)；二是消去KClO3和KCl后，產物RuCl3和H2S中的氫氯元素均來源于HCl，消去氫氯元素時應考慮RuCl3和H2S的比例。此類化學方程式的配平一般要經歷如下五個步驟。

①消去相同的組成KCl得

RuS2+O3+HCl→RuO4+RuCl3+H2S+S

②消去價態(tài)未發(fā)生變化且系數(shù)關系簡單的元素氧并由氧原子的比例得

RuS2+HCl→3Ru+RuCl3+H2S+S

③按比例消去氫氯元素，并將+3價的Ru與-2價的S合并得

RuS2→3Ru+Ru2S3+S

④由原子守恒配平系數(shù)得

5RuS2=3Ru+Ru2S3+7S

⑤復原補全得配平的化學方程式

5RuS2+4KClO3+6HCl=3RuO4+2RuCl3+3H2S↑+7S+4KCl

需要特別注意的是：此化學方程式在消去配平的過程中沒有標明原子或原子團所帶的電荷。之所以不標電荷，是由于消去KCl時消去了價態(tài)發(fā)生了變化的氯元素，配平最簡關系式的系數(shù)時只考慮原子守恒、不考慮電荷守恒與電子守恒。

例4 配平C6H5-CH2CH3+KMnO4+H2SO4→C6H5-COOH+CO2↑+MnSO4+K2SO4+H2O

解析：這是一道有機氧化還原反應方程式，其中的有機物C6H5-CH2CH3只是部分被氧化，且被氧化部分-CH2CH3的兩個碳原子及產物-COOH和CO2中的兩個碳原子的化合價互不相同。由于C6H5-CH2CH3、C6H5-COOH和CO2的系數(shù)必定相同，所以反應物中被氧化的碳原子及生成物中的碳原子均用基團中碳原子的平均化合價（-COOH與CO2合并計算）進行消去配平。

①消去有機物未被氧化的基團C6H5-得-CH2CH3+KMnO4+H2SO4→-COOH+CO2+ MnSO4+K2SO4+H2O

②消去所有價態(tài)未變化的元素得

2C2.5-+Mn7+→2C3.5++Mn2+

③原子守恒和電荷守恒得

5×2C2.5-+12Mn7+=5×2C3.5++12Mn2+

④復原補全得配平的化學方程式

5C6H5-CH2CH3+12KMnO4+18H2SO4= 5C6H5-COOH+5CO2↑+12MnSO4+6K2SO4+28H2O

2.2 “元素消去法”的消去原理

從上述各個配平實例來看，“元素消去法”同其他配平方法一樣，其所遵循的基本原理仍然是原子守恒、電子守恒和電荷守恒，我們在此需要進一步明確的是“元素消去法”的消去原理。

“元素消去法”源于平面幾何中消點法的靈感啟示，受消點法的啟示，文獻[1]認為：化學反應的本質是原子的重新組合，而氧化還原反應的本質是得失電子，倘若將反應物、生成物拆分成多個微粒，將沒有得失電子的微粒消去，整個方程式就被簡化了。在此觀點的指導下，文獻[1]通過對氧化還原反應方程式的配平嘗試提出了配平氧化還原反應方程式的“元素消去法”。我們贊同作者的這些觀點。

通過對“元素消去法”進一步研究，我們認為提出“元素消去法”配平化學方程式的基本出發(fā)點是：消去化簡化學方程式，以便于觀察配平系數(shù)關系較復雜的元素的系數(shù)。“元素消去法”的關鍵是消去哪些元素？毫無疑問，“沒有得失電子的微?！笔强梢韵サ?，之所以可以消去“沒有得失電子的微粒”，是由于沒有得失電子的微粒在反應前后的系數(shù)關系一般比較簡單?？刹豢梢韵ツ承┑檬щ娮拥奈⒘Ｄ?？當然可以。在配平化學方程式例3時，我們就消去了反應物KClO3中的KCl和產物KCl，可以這樣消去的理由是反應物和產物均只有一種物質含鉀元素，KClO3和KCl的系數(shù)必定相等，我們把這種消去稱為消去化學式中組成相同的部分。在配平有機氧化還原反應方程式例4時，消去了C6H5-CH2CH3和C6H5-COOH中未參加反應的基團C6H5-。有機物中未參加反應的基團也屬于化學式中相同組成的部分。

概括起來說，“元素消去法”可以消去三類微粒，一是在反應中沒有得失電子的微粒，二是某些得失了電子、但在化學式中具有相同組成且反應物與生成物的系數(shù)必定相等的微粒，三是有機物分子中沒有參加反應的基團。之所以可以消去這些微粒，是由于這些微粒間的系數(shù)關系比較簡單，消去后可以比較簡單地復原；之所以需要消去這些微粒，是為了簡化氧化還原方式中反應物與生成物的關系，便于觀察配平那些系數(shù)關系較復雜的元素的系數(shù)。

2.3 “元素消去法”的配平步驟

文獻[1]介紹的“元素消去法”的配平步驟是三步，就上述配平實例的配平實際來看，“元素消去法”的配平步驟可作進一步完善，大致可分為如下六步。

①觀察分析，一是分析反應物和生成物中有沒有相同組成的部分，二是分析反應物與生成物中價態(tài)未變化的元素組成的物質之間有沒有元素交叉的現(xiàn)象，如例2、例3。

②消去反應物與生成物中相同組成的部分。

③消去價態(tài)未變化且在物質組成上沒有發(fā)生交叉現(xiàn)象的元素。