“電荷守恒”的妙用

摘 要：化學(xué)中的多種守恒關(guān)系，幾乎都是高考中的熱點(diǎn)。在電解質(zhì)的電離和鹽類的水解這兩部分知識(shí)中，有兩種守恒關(guān)系經(jīng)常被用到：電荷守恒和物料守恒。在這里首先認(rèn)識(shí)電荷守恒的相關(guān)知識(shí)，簡(jiǎn)單介紹根據(jù)電荷守恒判斷反應(yīng)物和生成物、配平離子反應(yīng)方程式、書寫并配平電極反應(yīng)式以及溶液中離子濃度的相對(duì)大小的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電荷守恒；離子方程式；電極反應(yīng)式；離子濃度

所謂電荷守恒關(guān)系，就是在任何電解質(zhì)溶液中陰陽(yáng)離子濃度間的一個(gè)等式關(guān)系。電荷守恒主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.離子反應(yīng)方程式中的電荷守恒：反應(yīng)物所帶的電荷總數(shù)等于生成物所帶的電荷總數(shù)。

2.溶液呈電中性：所有陽(yáng)離子所帶正電荷總數(shù)等于陰離子所帶負(fù)電荷總數(shù)。

一、離子反應(yīng)方程式中的電荷守恒

1.用電荷守恒判斷反應(yīng)物或生成物

例1.利用變化是加強(qiáng)酸（H+）還是加強(qiáng)堿（OH-）來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-

（2）使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+

分析：（1）中使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-，從電荷看由+3價(jià)變成了0價(jià)或-1價(jià)，所以加強(qiáng)堿（OH-）來(lái)實(shí)現(xiàn)，且分別加3個(gè)和4個(gè)OH-。

離子反應(yīng)方程式為：Al3++3OH-=Al（OH）3 Al3++4OH-=AlO2-+2H2O

（2）中使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+，從電荷看由-1價(jià)變成了0價(jià)或+3價(jià)，所以加強(qiáng)酸（H+）來(lái)實(shí)現(xiàn)，且分別加1個(gè)和4個(gè)H+。

離子反應(yīng)方程式為：AlO2-+H++H2O=Al（OH）3 AlO2-+4H+=Al3++2H2O

例2.HCO3-分別和強(qiáng)酸（H+）、強(qiáng)堿（OH-）反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？

分析：HCO3-和強(qiáng)酸（H+）反應(yīng)電荷數(shù)一正一負(fù)，所以產(chǎn)物生成0價(jià)的可能性更大。離子反應(yīng)方程式為：HCO3-+H+=CO2↑+H2O

HCO3-和強(qiáng)堿（OH-）反應(yīng)電荷數(shù)為-2，則生成物中必有負(fù)電荷數(shù)的物質(zhì)CO32-，不可能都生成電荷數(shù)為0的CO2和H2O。

離子反應(yīng)方程式為：HCO3-+OH-=CO32-+H2O

2.用電荷守恒配平離子反應(yīng)方程式

例3.KMnO4溶液分別在酸性和堿性條件下氧化H2O2

分析：（1）用得失電子守恒配平：

2MnO4-+5H2O2——2Mn2++5O2↑（酸性）

2MnO4-+3H2O2——2MnO2+3O2↑（堿性）

（2）酸性溶液時(shí)反應(yīng)式兩邊補(bǔ)加H+和H2O，反應(yīng)物電荷數(shù)為-2，生成物電荷數(shù)為+4，所以應(yīng)在反應(yīng)物加6H+，再根據(jù)質(zhì)量守恒，確定H2O的系數(shù)。

離子反應(yīng)方程式為：2MnO4-+5H2O2+6H+=2Mn2++5O2↑+8H2O

（3）堿性溶液時(shí)反應(yīng)式兩邊補(bǔ)加OH-和H2O，反應(yīng)物電荷數(shù)為-2，生成物電荷數(shù)為0，所以應(yīng)在生成物加2OH-，再根據(jù)質(zhì)量守恒，確定H2O的系數(shù)。

離子反應(yīng)方程式為：2MnO4-+3H2O2=2MnO2+3O2↑+2OH-+2H2O

3.用電荷守恒配平電極反應(yīng)式

例4.甲烷燃料電池在不同介質(zhì)中的電極反應(yīng)式

（1）堿性介質(zhì)（OH-和H2O）下的甲烷燃料電池

根據(jù)得失電子守恒：

負(fù)極：CH4-8e-——CO32-根據(jù)電荷守恒：左邊電荷數(shù)為+8，右邊電荷數(shù)為-2，所以左邊應(yīng)補(bǔ)充10OH-

正極：2O2+8e-——根據(jù)電荷守恒：左邊電荷數(shù)為-8，右邊應(yīng)補(bǔ)充8OH-

所以電極反應(yīng)式為：

負(fù)極：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O

正極：2O2+8e-+4H2O=8OH-

（2）酸性介質(zhì)（H+和H2O）下的甲烷燃料電池

根據(jù)得失電子守恒：

負(fù)極：CH4-8e-——CO2根據(jù)電荷守恒右邊應(yīng)補(bǔ)充8H+

正極：2O2+8e-——根據(jù)電荷守恒左邊應(yīng)補(bǔ)充8H+

所以電極反應(yīng)式為：

負(fù)極：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

正極：2O2+8e-+8H+=4H2O

（3）熔融碳酸鹽介質(zhì)（CO32-和CO2）下的甲烷燃料電池

根據(jù)得失電子守恒：

負(fù)極：CH4-8e-——CO2根據(jù)電荷守恒左邊應(yīng)補(bǔ)充4CO32-

正極：2O2+8e-——根據(jù)電荷守恒右邊應(yīng)補(bǔ)充4CO32-

所以電極反應(yīng)式為：

負(fù)極：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O

正極：2O2+8e-+4CO2=4CO32-

（4）熔融金屬氧化物介質(zhì)（O2-）下的甲烷燃料電池

根據(jù)得失電子守恒：

負(fù)極：CH4-8e-——CO2根據(jù)電荷守恒左邊應(yīng)補(bǔ)充4O2-

正極：2O2+8e-——根據(jù)電荷守恒右邊應(yīng)補(bǔ)充4O2-

所以電極反應(yīng)式為：

負(fù)極：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O

正極：2O2+8e-=4O2-

4.用電荷守恒判斷陰、陽(yáng)離子的運(yùn)動(dòng)方向和正、負(fù)電極附近的酸堿性

例5.Mg-H2O2電池可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液，示意圖如下。該電池工作時(shí)，下列說(shuō)法正確的是

A.Mg電極是該電池的正極

B.H2O2在石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動(dòng)

分析：活動(dòng)金屬（Mg）或燃料（H2、CH4等）做電源的負(fù)極，失去電子被氧化，發(fā)生氧化反應(yīng)。不活動(dòng)金屬、非金屬（石墨等）做電源的正極，得到電子被還原，發(fā)生還原反應(yīng)。

題中A選項(xiàng)錯(cuò)，Mg電極是該電池的負(fù)極；B選項(xiàng)錯(cuò)，H2O2在石墨電極上發(fā)生還原反應(yīng)。

電子是由電源的負(fù)極流向正極，從電荷來(lái)看，負(fù)極由于電子流出負(fù)電荷減少，正極的負(fù)電荷增多。如果是電解質(zhì)的水溶液，當(dāng)正極（氧化劑有氧元素參與反應(yīng)）負(fù)電荷增多時(shí)表現(xiàn)在帶負(fù)電荷的OH-增多，即pH增大，同樣，負(fù)極的pH減小。

題中C選項(xiàng)正確，石墨電極（正極）附近溶液的pH增大。

但電荷總是守恒的，為了平衡電荷數(shù)，電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子應(yīng)向負(fù)電荷多的正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)電荷少的負(fù)極移動(dòng)。

即：從負(fù)極看，流出帶一個(gè)負(fù)電荷的電子，就應(yīng)流入帶一個(gè)負(fù)電荷的陰離子或也流出帶一個(gè)正電荷的陽(yáng)離子；從正極看，流入帶一個(gè)負(fù)電荷的電子，就應(yīng)流出帶一個(gè)負(fù)電荷的陰離子或也流入帶一個(gè)正電荷的陽(yáng)離子。

題中的D選項(xiàng)錯(cuò)，溶液中Cl-應(yīng)向負(fù)極移動(dòng)。

二、溶液呈電中性

溶液中的電荷守恒是指溶液中所有陽(yáng)離子所帶的正電荷總數(shù)與所有陰離子所帶的負(fù)電荷總數(shù)相等。

例6.寫出含有c（Na+）、c（CH3COO-）溶液中的電荷守恒和微粒濃度相對(duì)大小。

根據(jù)電荷守恒：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）

再根據(jù)電荷守恒和物質(zhì)濃度大小判斷微粒濃度相對(duì)大小。

c（CH3COO-）>c（Na+）>c（OH-）>c（H+）我們稱為”-，+，-，+”

c（Na+）>c（CH3COO-）>c（H+）>c（OH-）我們稱為”+，-，+，-”

類似“-，+，-，+”、“+，-，+，-”離子濃度相對(duì)大小的關(guān)系式，不符合電荷守恒，故不成立。

而類似“+，-，-，+”、“-，+，+，-”離子濃度相對(duì)大小的關(guān)系式，符合電荷守恒，能成立。如：

c（Na+）>c（OH-）>c（CH3COO-）>c（H+）

（Na+）>c（CH3COO-）>c（OH-）>c（H+）

c（CH3COO-）>c（Na+）>c（H+）>c（OH-）

c（CH3COO-）>c（H+）>（Na+）>c（OH-）

如何比較相對(duì)大小，可用以下方法：

（1）對(duì)于一個(gè)單一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COOH溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等體積混合溶液），當(dāng)溶液呈酸性時(shí)，離子濃度最小的是c（OH-），根據(jù)電荷守恒，則離子濃度最大的是c（CH3COO-）。對(duì)于c（Na+）、c（H+）的相對(duì)大小，常規(guī)c（Na+）>c（H+）（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等體積混合溶液），但當(dāng)CH3COONa的濃度相當(dāng)小時(shí)，也有c（H+）>（Na+）的情況發(fā)生。

（2）對(duì)于一個(gè)單一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COONa溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1NaOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa混合溶液），當(dāng)溶液呈堿性時(shí)，離子濃度最小的是c（H+），根據(jù)電荷守恒，則離子濃度最大的是c（Na+）。對(duì)于c（CH3COO-）、c（OH-）的相對(duì)大小，如是CH3COONa溶液，則有c（CH3COO-）>c（OH-）；如是 NaOH溶液和CH3COONa混合溶液，則也有可能c（OH-）>c（CH3COO-）。

參考文獻(xiàn)：

張曉華.巧用“電荷守恒法”解化學(xué)計(jì)算題[J].遼寧師專學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（2）.

編輯 楊國(guó)蓉