信息型方程式的書寫、氧化還原反應(yīng)方程式的配平程序剖析

河南 徐業(yè)政

信息型方程式的書寫、氧化還原反應(yīng)方程式的配平程序剖析

一、信息型方程式的書寫

信息型方程式的書寫能較好地考查學(xué)生自學(xué)能力、推理能力、信息轉(zhuǎn)化能力，因此成為高考試題中“出鏡率”很高的考點之一。正確地書寫信息型反應(yīng)方程式有賴于三個方面的因素：一是心理因素，不能因為面對的是比較新穎的知識就認(rèn)為自己無法解答出來而在心理上“未戰(zhàn)先降”，事實上此類方程式只要充分利用題給信息是不難寫出來的；二是有效信息的篩選與轉(zhuǎn)化，即要篩選出與方程式書寫有直接關(guān)系的信息并將文字信息轉(zhuǎn)化為化學(xué)符號信息；三是掌握書寫的一般程序。

1.信息轉(zhuǎn)換型

這是指將題目提供的反應(yīng)物、生成物信息用相應(yīng)的化學(xué)式表示出來的一類題型，因題目已明確了反應(yīng)物與生成物分別是什么，故書寫的重點應(yīng)放在化學(xué)式的準(zhǔn)確書寫與化學(xué)計量數(shù)的確定上。

例1：火法煉銅可以從輝銅礦(Cu2S)中提取銅。下面是由Cu2S冶煉銅及制取CuSO4·5H2O的流程圖：

Cu2SO2△Cu焙燒Cu2O、CuO足量稀硫酸A操作ⅠB蒸發(fā)、結(jié)晶、過濾膽礬

(1)Cu2S→單質(zhì)銅(另有一種氣體生成)的化學(xué)方程式為

。

(2)Cu2O置于足量稀硫酸中得到藍(lán)色溶液及紅色物質(zhì)，寫出離子方程式：

。

解析：(1)由質(zhì)量守恒原理及氧化還原反應(yīng)價態(tài)變化規(guī)律知Cu2S與氧氣反應(yīng)后得到的氣體物質(zhì)是SO2，由此可寫出Cu2S+O2Cu+SO2，配平后即可。(2)由反應(yīng)的現(xiàn)象知有Cu2+及Cu生成，故有Cu2O+H+Cu+Cu2++H2O，配平后即可。

答案：(1)Cu2S+O2△2Cu+SO2(2)Cu2O+2H+Cu+Cu2++H2O

2.推理性氧化還原反應(yīng)方程式的書寫

這是指題中只提供部分反應(yīng)物、生成物的信息，然后要求書寫出相應(yīng)的方程式，這類題目有兩種情況，一是一般化學(xué)方程式的推理書寫，二是電極反應(yīng)方程式的書寫。

例2：(依高考試題編制)回答下列問題：

(1)(2015江蘇)實驗室可用KOH、KClO溶液與 Fe(NO3)3溶液的反應(yīng)制備高效水處理劑K2FeO4，其反應(yīng)的離子方程式為

。

(2)(2016全國卷Ⅱ)實驗室可用次氯酸鈉溶液與氨反應(yīng)制備聯(lián)氨(N2H4)，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________ ；聯(lián)氨是一種常用的還原劑，向裝有少量AgBr的試管中加入聯(lián)氨溶液可觀察到有黑色固體單質(zhì)生成，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________ 。酸性條件下，H2O2可氧化Fe2+，性條件下可與FeSO4溶液反應(yīng)，寫出反應(yīng)的離子方程式：

。

(3)(2012全國卷Ⅰ)與 MnO2- Zn 電池類似，K2FeO4- Zn 也可以組成堿性電池，K2FeO4在電池中作為正極材料，其電極反應(yīng)式為________________ 。

解析：(1)本題只給出了部分反應(yīng)物與生成物，需要通過推理判斷，確定其他物質(zhì)。

①由元素價態(tài)變化知，題目明確給出的反應(yīng)物有Fe3+、ClO-，生成物有FeO2-4，ClO-的還原產(chǎn)物是Cl-，故可先寫出：Fe3++ClO-FeO2-4+Cl-。

②依得失電子守恒原理確定已寫出部分中的氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物的計量數(shù)后得：2Fe3++3ClO-2FeO2-4+3Cl-。

③依電荷守恒及堿性條件確定在左側(cè)應(yīng)添加“10OH-”，2Fe3++3ClO-+10OH-2FeO2-4+3Cl-，再根據(jù)質(zhì)量守恒確定有水生成：2Fe3++3ClO-+10OH-2FeO2-4+3Cl-+5H2O。

(2)NaClO的還原產(chǎn)物是NaCl，故可首先寫出：NaClO+NH3N2H4+NaCl，依得失電子守恒原理配平后得：NaClO+2NH3N2H4+NaCl，最后依質(zhì)量守恒得NaClO+2NH3N2H4+NaCl+H2O。

(3)①K2FeO4在正極上得到電子被還原為Fe(OH)3(堿性條件)，故有FeO2-4+3e-Fe(OH)3。

②依據(jù)電荷守恒及電解質(zhì)溶液呈堿性得：FeO2-4+3e-Fe(OH)3+5OH-。

③依質(zhì)量守恒及分析左右兩側(cè)元素構(gòu)成后得到：FeO2-4+3e-+4H2OFe(OH)3+5OH-。

通過前面問題的分析知：信息型氧化還原反應(yīng)方程式、電極反應(yīng)式的書寫程序大同小異，具體過程可分為如下幾步：

①寫式子：寫出明確給出的及易推出的物質(zhì)的化學(xué)式；

②配計量數(shù)：確定“兩劑”(氧化劑、還原劑)、“兩產(chǎn)”(氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物)的計量數(shù)；

③查守恒：檢查質(zhì)量是否恒，對于離子方程式還要檢查電荷是否守恒；

④添物質(zhì)：添加必要的物質(zhì)，但也可能不需要添加。

在水溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，添加的物質(zhì)通常是“H2O、H+”或“H2O、OH-”，添加的原則是：在酸性溶液中不應(yīng)添加OH-、在堿性溶液不應(yīng)添加H+。此外還要牢記如下知識。

1.常用氧化劑對應(yīng)的還原產(chǎn)物(一般情況下)

氧化劑MnO-4(H+)H2O2HNO3Cr2O2-7Cl2、ClO-、ClO-2、ClO-3、ClO2還原產(chǎn)物Mn2+H2ONO、NO2Cr3+Cl-

2．常用還原劑對應(yīng)的氧化產(chǎn)物

還原劑H2O2Fe2+Cl-S、S2-H2C2O4SO2、SO2-3Fe氧化產(chǎn)物O2Fe3+Cl2SO2、SO2-4CO2SO3、SO2-4Fe2+、Fe3+

3.燃料電池中幾種元素或物質(zhì)放電后的產(chǎn)物

常見元素HCO2Al堿性存在形式H2OCO2-3OH-AlO-2(強(qiáng))酸性存在形式H+CO2H2OAl3+

二、氧化還原反應(yīng)方程式的配平

配平的原理可表述為：反應(yīng)過程中得失電子守恒或元素化合價升降總值相等。配平過程中需要明確如下幾個問題：①首先要配平哪兩種物質(zhì)(以下簡稱首配物)的計量數(shù)，如何快速地確定首配物。②根據(jù)首配物組成求某種元素化合價變化值時要不要考慮該元素在其他物質(zhì)中的組成情況，當(dāng)一種物質(zhì)中發(fā)生價態(tài)變化的元素不只一種時該如何處理。③配平的一般程序是怎么樣的。下面對此類問題進(jìn)行討論。

1.首配物質(zhì)的確定

符合下列條件的氧化劑、還原劑(以下簡稱兩劑)，氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物(以下簡稱兩產(chǎn))可作為首配物。

①氧化劑：只有一種且全部被還原；

②還原劑：只有一種且全部被氧化；

③氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物：各只有一種物質(zhì)。

2.配平的順序

先標(biāo)出化合價以確定首配物→以首配物的組成和元素變化前后的價態(tài)為依據(jù)求出化合價的升與降總值(Δ1、Δ2)→將所求的兩種首配物的Δ1、Δ2交換寫在另一種物質(zhì)前面→確定其他含有價態(tài)變化元素的物質(zhì)計量數(shù)→確定剩余物質(zhì)的計量數(shù)

Δ=首配物中化合價發(fā)生變化的元素的原子數(shù)目×該元素的化合價的變化值

3.配平示例

類型1：首配物為“兩劑”或者是“兩產(chǎn)”

反應(yīng)特點：氧化劑、還原劑均只有一種物質(zhì)且全部被還原、被氧化或氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物各只有一種。

例：配平C2H4+KMnO4+H2SO4——K2SO4+MnSO4+CO2+H2O

解析：標(biāo)出相關(guān)元素的化合價后知，該反應(yīng)的首配物可以是兩劑，也可以是兩產(chǎn)。

6C-22H4+12K2Cr+62O7+H2SO4——K2SO4+Cr+32(SO4)3+C+4O2+H2O

化合價的變化值并交叉書寫:

6C2H42[4-(-2)]________12K2Cr2O72(6-3)

再確定兩產(chǎn)的計量數(shù)：6C2H4+12K2Cr2O7+H2SO4——K2SO4+12Cr2(SO4)3+12CO2+H2O

最后確定其他物質(zhì)的計量數(shù)：6C2H4+12K2Cr2O7+48H2SO412K2SO4+12Cr2(SO4)3+12CO2+60H2O，去掉公約數(shù)得到C2H4+2K2Cr2O7+8H2SO42K2SO4+2Cr2(SO4)3+2CO2+10H2O(說明：公約數(shù)也可以在Δ1、Δ2值“交叉”前約去)。

類型2：只能用“兩產(chǎn)”作首配物

反應(yīng)特點：氧化劑、還原劑不止一種或者沒有全部被還原(被氧化)而氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物各只有一種。

例：配平CuSO4+P4+H2OCu3P+ H3PO4+H2SO4

解析：分析該反應(yīng)知硫酸銅為氧化劑，白磷既是氧化劑又是還原劑，兩劑中共有三種物質(zhì)，而氧化產(chǎn)物是H3PO4、還原產(chǎn)物只有Cu3P，該反應(yīng)屬于第2類，故首配物可以是兩產(chǎn)(也可以是氧化劑CuSO4)與氧化產(chǎn)物(H3PO4)，配平過程如下。

Cu+2SO4+P04+H2O——6H3P+5O4+5Cu+13P-1+H2SO4

化合價變化值并交叉書寫：

6H3PO45-0 5Cu3P3(2-1)+{0-(-3)}=6

再配平兩劑的計量數(shù)15CuSO4+114P4+H2O——6H3PO4+5Cu3P+H2SO4

最后配平其他物質(zhì)計量數(shù)：15CuSO4+114P4+24H2O——6H3PO4+5Cu3P+15H2SO4

除掉分母：60CuSO4+11P4+96H2O24H3PO4+20Cu3P+60H2SO4

*Cu3P 中兩元素的化合價均發(fā)生了變化，故求總數(shù)時直接求二者變化值的代數(shù)和(最后取正值)。

類型3：只能用氧化劑與氧化產(chǎn)物或者還原劑與還原產(chǎn)物作首配物

反應(yīng)特點：氧化劑與氧化產(chǎn)物各只有一種物質(zhì)且前者全部被還原；或者還原劑與還原產(chǎn)物各只有一種物質(zhì)且前者全部被氧化。

例：配平方程式Cu2S+HNO3——Cu(NO3)2+NO↑+H2SO4+H2O

解析：分析該反應(yīng)中各元素化合價變化知，本題的首配物應(yīng)為NO與Cu2S

3Cu+12S-2+HN+5O3——C+2u(NO3)2+10N+2O↑+H2S+6O4+H2O

化合價變化值并交叉書寫：

3Cu2S2×1+8=10________10NO3

再確定Cu(NO3)2、H2SO4、HNO3的計量數(shù)后得：3Cu2S+(10+2×6)HNO3——6Cu(NO3)2+10NO↑+3H2SO4，最后確定H2O的計量數(shù)：3Cu2S+22HNO36Cu(NO3)2+10NO↑+3H2SO4+8H2O。

類型4：缺項配平

反應(yīng)特點：方程式中某些反應(yīng)物或者生成物未給定。

例：配平C+K2Cr2O7+H2SO4——CO2↑+K2SO4+Cr2(SO4)3+

解析：配平過程中可先不考慮所缺物質(zhì)的組成如何，待其他物質(zhì)計量數(shù)確定后再依質(zhì)量守恒定律確定所缺物質(zhì)的組成及計量數(shù)。

6C+4K2Cr2O7+H2SO4——CO2↑+K2SO4+Cr2(SO4)3+

化合價變化值并交叉書寫：

6C4________4K2Cr2O76

再配平其他物質(zhì)得：6C+4K2Cr2O7+16H2SO4——6CO2↑+4K2SO4+4Cr2(SO4)3+________，依質(zhì)量守恒生成物中應(yīng)有16份的水，最后劃簡后得：3C+2K2Cr2O7+8H2SO43CO2↑+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O。

類型5：特定物質(zhì)組合型

反應(yīng)特點：無法找出符合上述原則的兩種物質(zhì)作首配物，此時可通過分析反應(yīng)式構(gòu)成特點，利用某兩種物質(zhì)間的特定關(guān)系，將兩種物質(zhì)組合為一個整體。

例：配平KNO3+S+CCO2↑+K2S+N2↑

解析:由于K2S中鉀、硫原子個數(shù)比為2∶1且反應(yīng)中只有KNO3、單質(zhì)硫中含有鉀、硫元素，故KNO3的計量數(shù)一定是單質(zhì)硫的計量數(shù)的2倍，因此可先將 KNO3與單質(zhì)硫按物質(zhì)的量之比為2∶1的比例組合成“一種物質(zhì)”，然后求Δ值。

1(2KNO3+S) +3CCO2↑+K2S+N2↑

Δ1、Δ2值的求解(系數(shù)已約分處理)：

1(2KNO3+S)2×5+1×2=12________3C4

最后可得到：2KNO3+S+3C3CO2↑+K2S+N2↑

類型6：調(diào)整計量數(shù)類

反應(yīng)特點：無法找出前述方法中的首配物，此時可先確定“兩劑”“兩產(chǎn)”的計量數(shù)，最后再添加上沒有被氧化(被還原)的那一部分物質(zhì)相應(yīng)的數(shù)量。

例：配平KClO3+HClKCl+Cl2↑+H2O

解析：本題只能利用氧化劑、還原劑作首配物，首先確定被氧化、被還原的那一部分物質(zhì)的計量數(shù)，然后調(diào)整計量數(shù)(即添加上沒有被氧化或沒有被還原的那一部分物質(zhì)的數(shù)量)。

1KClO3+5HClKCl+Cl2↑+H2O

Δ1、Δ2值的求解:

1KClO35________5HCl1

再確定Cl2與KCl的計量數(shù)：1KClO3+5HCl1KCl+3Cl2↑+H2O

因有1份的-1價氯元素價態(tài)沒有變化，故HCl的計量數(shù)應(yīng)由5調(diào)整為6，最后依質(zhì)量守恒原理得： KClO3+6HClKCl+3Cl2↑+3H2O (計量數(shù)中的“1”沒有寫出來)。

4.幾類物質(zhì)中元素化合價數(shù)值的確定技巧

(1)有機(jī)物：有機(jī)物中氫元素顯+1價，氧元素一般顯 -2價，碳元素的化合價則要利用化合價規(guī)則及分子的組成來確定，如C2H5OH中氧為-2價，氫為+1價，故碳為 -2價。

(2)不常見物質(zhì)：非金屬性強(qiáng)的元素一定顯負(fù)價，如BrCl3中，氯的非金屬強(qiáng)于溴，故氯顯-1價，溴為+3價。

(3)組成較復(fù)雜的物質(zhì)，分析時應(yīng)先確定無變價的金屬元素及非金屬性強(qiáng)的元素的價態(tài)，然后利用化合價規(guī)則確定具有變價元素的價態(tài)，如KCNO中價態(tài)的確定，氧非金屬性最強(qiáng)，為-2價，鉀為+1價，C、N兩元素中，氮非金屬性較強(qiáng)為-3價，最后確定碳為+4價；若組成元素全部為非金屬元素，則非金屬性最弱的元素顯正價。

(4)組成不合常規(guī)的物質(zhì)：如Na2Sx、Fe3C等物質(zhì)，可認(rèn)為該物質(zhì)中的各元素化合價均為0(簡稱為0價標(biāo)價法)，在配平中，依0價為起點計算元素化合價的變化值。

例：配平 Fe3P+HNO3——Fe(NO3)3+NO↑+H3P4+H2O

解析：令Fe3P中各元素的化合價均為0，其首配物是還原劑Fe3P與還原產(chǎn)物NO2。

3Fe03P0+HN+5O3——Fe+3(NO3)3+14N+4O+H3P+5O4+H2O

化合價變化值并交叉書寫：

3Fe3P3×3+5=14________14NO3

再確定含有價態(tài)變化的其他物質(zhì)的計量數(shù)：3Fe3P+41HNO3——9Fe(NO3)3+14NO↑+3H3PO4+H2O

最后確定H2O的計量數(shù)：3Fe3P +41HNO39Fe(NO3)3+14NO↑+3H3PO4+16H2O。

針對練習(xí)

1.實驗室中可用氯仿(CHCl3)與雙氧水直接反應(yīng)制備光氣(COCl2)的反應(yīng)方程式為

。

解析： 氯仿與雙氧水反應(yīng)時，后者是氧化劑被還原，前者是還原劑被氧化為光氣，可先寫出CHCl3+H2O2COCl2+H2O，當(dāng)?shù)檬щ娮酉嗟葧r有如下結(jié)果：CHCl3+H2O2COCl2+H2O，再結(jié)合質(zhì)量守恒可得到最后的方程式。

答案：CHCl3+H2O2COCl2+H2O+HCl

2.在堿性條件下向綠色的K2MnO4溶液中通入CO2后可得到紫色溶液和一種黑褐色固體，該反應(yīng)的離子方程式為________________。在弱酸性條件下，向FeSO4溶液中加入KMnO4溶液可得到一種有特殊顏色的難溶性堿及一種難溶性氧化物，寫出相應(yīng)離子方程式：

。

解析：形成紫色溶液說明有MnO-4生成，黑褐色固體是MnO2，由此可先寫出CO2+3MnO2-42MnO-4+MnO2↓，再結(jié)合溶液顯堿性及質(zhì)量守恒定律可得到最后的方程式。

由題目涉及的元素知難溶性堿是Fe(OH)3，氧化物是MnO2，故可先寫出3Fe2++MnO-4MnO2↓+3Fe(OH)3↓。再結(jié)合質(zhì)量守恒、電荷守恒可得到3Fe2++7H2O+MnO-4MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+。

答案：2CO2+3MnO2-42MnO-4+MnO2↓+2CO2-3，3Fe2++7H2O+MnO-4MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+

3.二氧化氯(ClO2)氣體是一種常用的高效自來水消毒劑。

(1)KClO3和濃鹽酸在一定溫度下反應(yīng)會生成ClO2，同時還得到一種黃綠色氣體，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________，濃鹽酸在該反應(yīng)中表現(xiàn)出的性質(zhì)是________ 。

(2)實驗室常用KClO3、草酸(H2C2O4)和稀硫酸制備ClO2，該反應(yīng)中氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物物質(zhì)的量之比為________。

(3)將ClO2通入到硫化氫溶液中，然后加入少量的稀鹽酸酸化的氯化鋇溶液，發(fā)現(xiàn)有白色沉淀生成。寫出二氧化氯與硫化氫溶液反應(yīng)的離子方程式：

。

(4) ClO2和Cl2在消毒時自身均被還原為Cl-，則常溫常壓下，等體積的ClO2的消毒能力是Cl2的________倍。

(5)自來水廠用ClO2處理后的水中，要求ClO2的濃度在0.1～0.8 mg/L之間。碘量法可以檢測水中ClO2的濃度(不同pH環(huán)境中粒子種類如圖所示)，步驟如下：

Ⅰ.取一定體積的水樣，加入一定量的碘化鉀，再將反應(yīng)后溶液調(diào)至中性，并加入淀粉溶液，溶液變藍(lán)。

Ⅱ.加入一定量的Na2S2O3溶液。(已知2S2O2-3+I2S4O2-6+2I-)

Ⅲ.加硫酸調(diào)節(jié)水樣pH至1 ～3。請回答：

①操作Ⅰ中反應(yīng)的離子方程式是

。

②在操作Ⅲ過程中，溶液又呈藍(lán)色，反應(yīng)的離子方程式是

。

③若水樣的體積為1.0 L,在操作Ⅱ時消耗了1.0×10-3mol·L-1的Na2S2O3溶液10 mL則水樣中ClO2的濃度是________mg/L。

解析：(1)黃綠色氣體是Cl2，故可先寫出：KClO3+HCl(濃)2ClO2↑+Cl2↑，由價態(tài)變化規(guī)律知，ClO2是KClO3的還原產(chǎn)物，Cl2是HCl的氧化產(chǎn)物，依得失電子守恒配平后得：2KClO3+2HCl(濃)2ClO2↑+Cl2↑，再根據(jù)質(zhì)量守恒知還有KCl及水生成，添加此兩種物質(zhì)后配平即可。(2)KClO3的還原產(chǎn)物是ClO2、H2C2O4的氧化產(chǎn)物是CO2，由元素化合價變化知，反應(yīng)中每生成1 mol ClO2可得到1 mol電子、每生成1 mol CO2失去1 mol電子，故生成氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物物質(zhì)的量之比為1∶1。(3)由題給信息可判斷H2S被氧化為SO2-4，ClO2的還原產(chǎn)物是Cl-，由此可寫出對應(yīng)的離子方程式。(4)1 mol ClO2可得到 5 mol 電子、1 mol Cl2可得到2 mol電子，故等物質(zhì)的量的兩種消毒劑的消毒能力ClO2是Cl2的2.5倍。