應(yīng)用電子守恒化解氧化還原難題

曾春伯

電子守恒指：氧化劑得電子總數(shù)=還原劑失電子總數(shù)，電子守恒的內(nèi)容很容易被理解，但是在應(yīng)用上不容易被掌握。電子守恒是解決氧化還原計算的金鑰匙，但是很多學(xué)生并不能很好將此規(guī)律應(yīng)用到平時的計算過程中。下面，筆者將從一道模擬題入手，對電子守恒在氧化還原計算中的應(yīng)用做詳細闡述。

一、題目引入及問題剖析

例1 （2016年臨沂市高考模擬）在含有0.078 mol FeSO4的溶液中，通入0.009 mol Cl2，再加入含有0.01 mol X2O2-7的溶液后，F(xiàn)e2+巧合完全轉(zhuǎn)化為Fe3+，則反應(yīng)后元素X的化合價為（ ）。

問題剖析 使用常規(guī)解題方法時，需利用氧化還原方程式計算，首先，根據(jù)

6FeSO4+2Cl22FeCl2+2Fe2（SO4）3

可得6/n（FeSO4）1=3/0.009 mol，經(jīng)計算可知n（FeSO4）1=0.018 mol，然后根據(jù)

X2O2-7+14H++（12-2n）FeSO4→2Xn++（12-2n）Fe2++7H2O+（12-2n）SO2-4

可得1/0.01mol=（12-2n）/n（FeSO4）2，所以n（FeSO4）2=0.01（12-2n）mol，又因為n（FeSO4）=n（FeSO4）1+n（FeSO4）2，所以0.078 mol=0.018 mol+0.01（12-2n）mol，最終求得n=+3。

應(yīng)用得失電子守恒方法可進行如下計算，本題中氧化劑為Cl2和X2O2-7，還原劑只有FeSO4，且在此反應(yīng)中Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，化合價升高1，所以FeSO4失去電子數(shù)為0.078 mol，氧化劑Cl2→2Cl-，化合價降低2，Cl2得到電子數(shù)為0.09 mol×2=0.018 mol，假設(shè)X2O2-7被還原后變?yōu)?n價，那么X2O2-7得到電子數(shù)為0.01 mol×2×（6-n），根據(jù)得失電子守恒可知，氧化劑得到的總的電子數(shù)=還原劑失去的總的電子數(shù)，即：0.01mol×2×（6-n）+0.018 mol=0.078 mol，解得：n=+3。

二、題后反思

由于本題的中間過程比較復(fù)雜，若想采用常規(guī)方法解答，計算量大，非常容易算錯。而采用得失電子守恒法計算，可以巧妙地避免討論復(fù)雜的中間計算過程，達到化繁為簡的目的。筆者通過總結(jié)近些年的高考題，發(fā)現(xiàn)得失電子守恒法的應(yīng)用十分廣泛，學(xué)生若能熟練掌握此方法，那么在高考中不但可以提高解題正確率，而且可以節(jié)約大量的時間去檢查和研究其他難題。

1.根據(jù)得失電子守恒，求解沉淀質(zhì)量

例2 （2015年江蘇省高考模擬）將11.9 g由Mg、Al、Fe三者組成的合金，溶解在足量的NaOH溶液中，稱量發(fā)現(xiàn)合金的質(zhì)量減少2.7g。另外取相同質(zhì)量的此合金溶解在過量的稀HNO3中，生成的NO氣體的體積為6.72 L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），當(dāng)向反應(yīng)后的溶液中加適量的NaOH溶液，使得Mg2+、Al3+、Fe3+全部變?yōu)槌恋頃r，那么沉淀的質(zhì)量為（ ）。

思路點撥 本題涉及到的氧化還原步驟比較多，若按部就班解題，那么計算過程會非常復(fù)雜。如果根據(jù)已知信息，分析出沉淀的總質(zhì)量是合金質(zhì)量加上各個金屬離子所結(jié)合的氫氧根的質(zhì)量，那么本題解答起來將會非常簡單。由于合金質(zhì)量已知，因此，解決本題的關(guān)鍵是求得氫氧根的質(zhì)量。根據(jù)各個金屬發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可知，金屬在與稀HNO3反應(yīng)時，失去電子的物質(zhì)的量與各個金屬結(jié)合的OH-的物質(zhì)的量相等。根據(jù)得失電子守恒可知：n（e-）=n（OH-）=6.72 L/22.4 L·mol-1×3=0.9 mol，m（沉淀）=m（合金）+m（OH-）=11.9 g+17 g·mol-1×0.9 mol=27.2 g，即生成沉淀的質(zhì)量為27.2 g。

2.根據(jù)得失電子守恒，求氧化產(chǎn)物

例3 （2016年河北省高考模擬題）將50.00 mL 0.10 mol/L的酸性羥氨溶液，與過量的Fe2（SO4）3在煮沸狀態(tài)下充分反應(yīng)，生成的Fe2+恰好被50.0 mL 0.04 mol/L的酸性KMnO4溶液氧化，則羥氨最終被氧化成的產(chǎn)物為（ ）。

思路點撥

此化學(xué)反應(yīng)中羥氨被Fe3+氧化，F(xiàn)e3+變?yōu)镕e2+，而Fe2+又被酸性的KMnO4溶液氧化。從整體來講，羥氨所失去的電子全部轉(zhuǎn)化到KMnO4中，所以解答本題時只需考慮始終態(tài)。已知羥氨中的N為-1價，假設(shè)羥氨被氧化成的氧化產(chǎn)物中N的化合價為x，又已知KMnO4中的Mn為+7價，與Fe2+反應(yīng)后變?yōu)?2，根據(jù)得失電子守恒得，[x-（-1）]×50.00 mL×0.10 mol/L=（7-2）×

50.00 mL×0.04 mol/L，經(jīng)計算得：x=1，因此羥氨被氧化為N2O。

3.根據(jù)得失電子守恒，求氣體體積

例4 將6.4 g Cu和一定質(zhì)量的濃HNO3充分混合，待Cu被反應(yīng)完時，可收集到4.48 L的氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）。如果想把收集到這些氣體的集氣瓶倒立在水中，那么需要充入多少升的O2（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）才能使得瓶子被水充滿？

思路點撥 此題目中的氧化還原反應(yīng)分多步進行，若想采用常規(guī)方法解答，需先求出NO、NO2的物質(zhì)的量，然后根據(jù)：

4NO2+O2+2H2O4HNO3

4NO+3O2+2H2O4HNO3

求得n（O2），進而求得其體積，由此可以看出常規(guī)方法解題比較麻煩。通過對本題進行仔細分析可以發(fā)現(xiàn)中間過程并沒有消耗電子，因此，解答本題時，只需找出始終狀態(tài)，然后建立兩者間存在的等量關(guān)系即可。根據(jù)題目可知：Cu所失電子數(shù)=起還原作用HNO3所得電子數(shù)=NO、NO2消耗的O2所得電子數(shù)，將中間步驟省去可得：Cu所失電子數(shù)=O2所得電子數(shù)。又因為，2×n（Cu）=4×n（O2），所以n（O2）=6.4 g/64 g·mol-1×2/4=0.05 mol，V（O2）=0.05 mol×22.4 L/mol=1.12 L，因此，若想將氣瓶內(nèi)充滿水，需要通入1.12 L的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氧氣。

（收稿日期：2017-05-20）endprint