如何突破氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)問題

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)的主干知識之一，歷年高考的重現(xiàn)率幾乎為100%，其中轉(zhuǎn)移電子的有關(guān)計算是高考命題的重點和熱點?？季V要求“了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，了解常見的氧化還原反應(yīng)?！苯旮呖蓟瘜W(xué)試題中考查電子轉(zhuǎn)移數(shù)的設(shè)問趨勢主要是“判斷一定量物質(zhì)在反應(yīng)中轉(zhuǎn)移多少摩爾電子”和“推斷一定量物質(zhì)得到或失去多少摩爾電子后生成某物質(zhì)的化學(xué)式”等。解答此類問題的主要依據(jù)是氧化還原反應(yīng)的基本規(guī)律。

一、掌握判斷氧化還原反應(yīng)有關(guān)概念的方法是基礎(chǔ)

氧化還原反應(yīng)是在反應(yīng)前后元素的化合價(準(zhǔn)確地講，應(yīng)該叫氧化數(shù)，下同)具有相應(yīng)的升降變化的化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)可以看成由元素化合價升高的反應(yīng)和元素化合價降低的反應(yīng)構(gòu)成，即由氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)這兩個半反應(yīng)構(gòu)成，有關(guān)概念及內(nèi)涵如下圖:

二、理解電子轉(zhuǎn)移數(shù)的計算規(guī)律及方法是關(guān)鍵

1. 電子轉(zhuǎn)移數(shù)的計算原理。

氧化還原反應(yīng)中有物質(zhì)所含元素化合價升高必有物質(zhì)所含元素化合價降低，且元素化合價降低總數(shù)必等于升高總數(shù)。或者說有物質(zhì)失去電子必有物質(zhì)得到電子，且得電子總數(shù)必等于失電子總數(shù)。

2. 電子轉(zhuǎn)移個數(shù)的計算方法。

(1)配平及標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目的規(guī)律。

①氧化劑得電子，且N(e-)得=N(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或N(還原產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。

②還原劑失電子，且N(e-)失=N(還原劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或N(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。

③電子一定從還原劑轉(zhuǎn)移給氧化劑，且N(e-)轉(zhuǎn)移=N(e-)得=N(e-)失，即N(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(即高價-低價)[或N(還原產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]=N(還原劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(即高價-低價)[或N(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。上述三個規(guī)律既是配平氧化還原反應(yīng)方程式的規(guī)律，也是單線橋法(通式如下)表示氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目和方向的前提。

例1.(1)配平氧化還原反應(yīng)方程式:□C2O42-+□MnO4-+□H+=□CO2↑+□Mn2++□H2O

(2)某反應(yīng)體系中的物質(zhì)有:NaOH、Au2O3、Na2S4O6、Na2S2O3、Au2O、H2O，請將Au2O3之外的反應(yīng)物與生成物分別填入以下空格內(nèi)，配平并標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。

解析:按“一標(biāo)(變價元素的化合價)、二列(列出元素化合價的變化值)、三定[根據(jù)元素化合價升降總數(shù)相等確定氧化劑(或還原產(chǎn)物)、還原劑(或氧化產(chǎn)物)的化學(xué)計量數(shù)]、四平[根據(jù)質(zhì)量(或原子)守恒、電荷守恒配平未發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)]、五查”的步驟進(jìn)行。

+3 +7 +4 +2

5C2O42-+2MnO4-+16H+=10CO2↑+2Mn2+ + 8H2O

↑1×2×5 ↓5×2

(2)根據(jù)題目所給信息推斷，Au由+3價降低或被還原為+1價，Au2O3作氧化劑、Au2O作還原產(chǎn)物，則S由+2價升高或被氧化為+2.5價，Na2S2O3作還原劑、Na2S4O6作氧化產(chǎn)物，根據(jù)S、Na、H原子守恒可知NaOH為生成物、H2O為反應(yīng)物，即□Au2O3+□Na2S2O3+□H2O□Na2S4O6+□Au2O+□NaOH;再根據(jù)配平的一般方法:

+3+2+2.5 +1

1Au2O3 + 4Na2S2O3+2H2O 2Na2S4O6 + 1Au2O + 4 NaOH

↓2×2×1 ↑0.5×4×2

答案:(1)5 2 16 10 2 8

(2)Au2O3+4Na2S2O3+2H2O2Na2S4O6+Au2O+4NaOH

(2)電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量的有關(guān)計算規(guī)律。

①氧化劑得電子，且n(e-)得=n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或n(還原產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。

②還原劑失電子，且n(e-)失=n(還原劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。

③n(e-)轉(zhuǎn)移=n(e-)得=n(e-)失，即n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或n(還原產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]=n(還原劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)[或n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值(高價-低價)]。

例2.下列說法錯誤的是()

A. 已知Al2O3+N2+3C2AlN+3CO制氮化鋁時，每生成1molAlN需轉(zhuǎn)移3mol電子

B. 3Cl2+2NH3N2+6HCl用于檢查氯氣管道漏氣，生成1molN2時有6mol電子轉(zhuǎn)移

C. 已知8HNCO+6NO27N2+8CO2↑+4H2O，消除1 molNO2時轉(zhuǎn)移的電子為4mol

D. 2H2O22H2O+O2↑，制標(biāo)準(zhǔn)狀況下5.6 L氧氣轉(zhuǎn)移電子數(shù)為1mol

解析:氮由0價降低或被還原為-3價，氮氣是氧化劑、AlN是還原產(chǎn)物，則n(e-)轉(zhuǎn)移= n(e-)得= n(還原產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1mol×1×[0-(-3)]=3mol，故A正確;氮由-3價升高或被氧化為0價，氨氣作還原劑、氮氣作氧化產(chǎn)物，則n(e-)轉(zhuǎn)移= n(e-)失= n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1mol×2×[0-(-3)]=6mol，故B正確;NO2中N由+4價降低或被還原為0價，NO2作氧化劑，則n(e-)轉(zhuǎn)移= n(e-)得= n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1mol×1×(+4-0)=4mol，故C正確;n(O2)=5.6L÷22L#8226;mol-1=0.25mol，氧由-1價升高或被氧化為0價，H2O2作還原劑，氧氣作氧化產(chǎn)物，則n(e-)轉(zhuǎn)移= n(e-)失= n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=0.25mol×2×[0-(-1)]=0.5mol，故D錯。

答案:C

例3. 某反應(yīng)中反應(yīng)物與生成物有:AsH3、H2SO4、KBrO3、K2SO4、H3AsO4、H2O和一種未知物質(zhì)X。

(1)已知0.2 mol KBrO3在反應(yīng)中得到1mol電子生成X，則X的化學(xué)式為。

(2)配平該氧化還原反應(yīng)方程式，并標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目:

解析:(1)設(shè)溴由+5價降低或被還原為+x價，KBrO3作氧化劑、X作還原產(chǎn)物，n(e-)轉(zhuǎn)移=n(e-)得=n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=0.2mol×1×[+5-(+x)]=1mol，則x=0，故X為溴單質(zhì)，分子式為Br2;(2)根據(jù)已知條件推斷，As由-3價升高或被氧化為+5價，AsH3作還原劑、H3AsO4作氧化產(chǎn)物，根據(jù)鉀、硫、氫原子守恒可知，K2SO4作生成物、H2SO4作反應(yīng)物、H2O作生成物，則□AsH3+□KBrO3+□H2SO4□H3AsO4+□Br2+□K2SO4+□H2O，則:

-3+5 +5 0

5AsH3+8KBrO3+4H2SO45H3AsO4+4Br2+4K2SO4+4H2O

↑8×5 ↓5×2×4

答案:(1)Br2

(2)5AsH3+8KBrO3+4H2SO45H3AsO4+4Br2+4K2SO4+4H2O

例4.設(shè)nA代表阿伏加德羅常數(shù)(NA)的數(shù)值，下列說法正確的是()

A. 2.4g金屬鎂變?yōu)殒V離子時失去的電子數(shù)為0.1nA

B. 標(biāo)準(zhǔn)狀況下，2.24 L Cl2與過量稀NaOH溶液反應(yīng)，轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)為0.2nA

C. 在H2O2+Cl22HCl+O2反應(yīng)中，每生成32g氧氣，則轉(zhuǎn)移2 nA個電子

D. 標(biāo)準(zhǔn)狀況下，鋁跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成1mol氫氣時，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為nA

解析:由于n(Mg)=2.4g÷24g#8226;mol-1=0.1mol，Mg-2e-Mg2+，則n(e-)轉(zhuǎn)移/ n(Mg)=2/1，n(e-)轉(zhuǎn)移=0.2mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=0.2nA，故A錯;n(Cl2)= 2.24 L÷22.4L#8226;mol-1=0.1mol，Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O～e-，n(e-)轉(zhuǎn)移/n(Cl2)=1/1，n(e-)轉(zhuǎn)移=0.1mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=0.1nA，故B錯;n(O2)=32g÷32 g#8226;mol-1=1mol，氧由-1價升高或被氧化為0價，H2O2作還原劑、O2作氧化產(chǎn)物，則n(e-)轉(zhuǎn)移= n(e-)失= n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1mol×2×[0-(-1)]=2mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=2nA，故C正確;由于2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑～6e-，則n(e-)轉(zhuǎn)移∶n(H2)=6∶3，所以n(e-)轉(zhuǎn)移= 1mol×6/3=2mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=2nA，故D錯。

答案:C

例5. 設(shè)阿伏加德羅常數(shù)(NA)的數(shù)值為nA，下列說法正確的是()

A. 1molCl2與足量Fe反應(yīng)，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為3nA

B. 1.5molNO2與足量H2O反應(yīng)，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為nA

C. 23g鈉在氧氣中完全燃燒失去電子數(shù)為0.5nA

C. 5.6g鐵粉與硝酸反應(yīng)失去的電子數(shù)一定為0.3nA

解析:n(e-)轉(zhuǎn)移=n(e-)得=n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1mol×2×[0-(-1)]=2mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=2nA，故A錯;3NO2+H2O2HNO3+NO～2e-，n(e-)轉(zhuǎn)移∶n(NO2)=2∶3，所以n(e-)轉(zhuǎn)移= 1.5mol×2/3=1mol，N(e-)轉(zhuǎn)移=1nA，故B正確;n(Na)=23g÷23g#8226;mol-1=1mol，2Na+O2Na2O2～2e-，則n(e-)轉(zhuǎn)移∶n(Na)=2∶2，故n(e-)轉(zhuǎn)移= 1mol，N(e-)轉(zhuǎn)移= nA，故C錯;n(Fe)=5.6g÷56g#8226;mol-1=0.1mol，由于變價金屬鐵可能被氧化為+3價、+2價、部分+3價部分+2價，則n(e-)失=n(還原劑)×變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=0.1mol×1×(+3-0)=0.3mol或0.1mol×1×(+2-0)=0.2mol或介于0.2～0.3mol之間，N(e-)失=0.3nA或0.2nA或0.2nA～0.3nA之間，故D錯。

答案:B

例6.(2007四川理綜，10)足量銅與一定量濃硝酸反應(yīng)得到硝酸銅溶液和NO2、N2O4、NO 的混合氣體，這些氣體與1.68LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)混合后通入水中，所有氣體完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸銅溶液中加入5mol/LNaOH溶液至Cu2+恰好完全沉淀，則消耗NaOH溶液的體積是()

A. 60mL B. 45mL C. 30mLD. 15mL

解析:足量銅與一定量濃硝酸反應(yīng)時:n(e-)失=n(氧化產(chǎn)物)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=n(Cu2+)×1×[+2-0]=2 n(Cu2+)，n(e-)硝酸還原為氮氧化物時得=

n(e-)失=2 n(Cu2+);在水作用下，氮氧化合物完全被O2氧化為硝酸時:n(e-)得=n(氧化劑)×它的變價原子個數(shù)×每個原子的化合價變化值=1.68 L÷22.4L#8226;mol-1×2×[0-(-2)]=0.3mol;由于題中硝酸還原為氮氧化物與氮氧化物氧化為硝酸是可逆的反應(yīng)過程，則n(e-)硝酸還原為氮氧化物時得到=n(e-)氮氧化物氧化為硝酸時失去，所以2n(Cu2+)=0.3mol，n(Cu2+)=0.15mol或n[Cu(NO3)2]= 0.15mol;Cu(NO3)2+2NaOHCu(OH)2↓+2NaNO3，則n(NaOH)=n[Cu(NO3)2]×2=n(Cu2+)×2=0.03mol，則V[NaOH(aq)]=n(NaOH)÷c(NaOH)=0.3mol÷5mol/L=0.06L=60mL。

答案:A

綜上所述，氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)的核心內(nèi)容，是高考命題的重要考點和熱點之一。氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)的命題趨勢是:以社會實際問題為載體，考查理解和應(yīng)用氧化還原反應(yīng)有關(guān)概念的能力;將氧化還原反應(yīng)與物質(zhì)的分析推斷結(jié)合在一起綜合考查;根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理書寫未學(xué)過的氧化還原反應(yīng)方程式等。

責(zé)任編校李平安