巧用電子守恒原理解氧化還原反應計算題

穆昌洪

摘要：得失電子守恒是氧化還原反應的本質特征，電子守恒法是中學化學計算中的基本解題方法。本文對教學過程中常見的幾種情況進行了系統的總結歸納，并配以典型的例題論述了運用電子守恒法可以快速解決氧化還原反應計算題的技巧。

關鍵詞：電子守恒原理；氧化還原反應；計算題

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2014）02-0097

氧化還原反應的本質是電子得失或偏移，在同一個氧化還原反應里，氧化劑得到電子的總數等于還原劑失去電子的總數，而電解或電鍍實際上也是發生氧化——還原反應，因此，在同一時間內，陰極上物質得到電子的數目等于陽極上物質失去電子的數目。利用得失電子守恒來建立等式是快速解決氧化還原反應計算題的基本方法。下面通過幾個例題，筆者談談電子守恒法在氧化還原反應計算中的應用。

一、省去中間過程，簡化計算

例1. 將1.92gCu投入到一定量的濃硝酸中，隨著反應的進行，生成氣體的顏色逐漸變淺，當銅完全溶解后，共收集到xmL氣體（標準狀況）。將盛有等量該氣體的容器倒入水中，欲使容器內氣體恰好完全溶解于水，試求需通入氧氣的體積（標準狀況）？

解析：由題意可知，銅與一定量的濃硝酸反應，先生成紅棕色的NO2，后生成無色的NO；若用常規解法，應先求出NO、NO2的物質的量，再根據：

4NO2+O2+2H2O 4HNO3

4NO+3O2+2H2O 4HNO3

計算出O2的物質的量，并求出其體積，此方法運算量大，中間計算多且復雜，容易出錯。用電子守恒法綜合考慮，可省去中間的各步計算，使計算簡化。若由圖示題意：HNO3→NO、NO2（xmL）→HNO3 ，就可發現Cu失去的電子總數等于O2得到的電子總數，即有2Cu～O2，由此可解V（O2）=××22.4L/mol=336mL

二、判斷氧化產物或還原產物的化合價

例2. 24mL0.05mL-1的Na2SO3 溶液，恰好與20mL0.02mL-1的K2Cr2O7溶液完全反應，則鉻元素在還原產物中的化合價為（ ）

A. +6 B. +3 C. +2 D. 0

解析：反應中的化合價變化為：Cr +6→x↑2×（6-x）， S+4→+6↓6-4=2。則有：20×10-3×0.02×2×（6-x）=24×10-3×0.05×2

解得x=3 答案：B

三、在電解類題中的應用

例3. 用兩支惰性電極插入500mL AgNO3溶液中，通電電解，當電解液的PH從6.0變為3.0時（設電解時陰極沒有H2析出，且電解前后溶液體積不變），電極上應析出銀的質量是（ ）。

A. 27mg B. 54mg C. 108mg D. 216mg

解析：根據得失電子守恒寫出電極反應式：

陰極：4Ag++4e=4Ag

陽極：2H2O-4e=O2+4H+

可知：Ag+—H+

1 mol 1 mol

x 1×10-3×0.5-1×10-6×0.5

x=5×10-4

則析出銀的質量為：

5×10-4mol×108g·mol-1=5.4×10-2g=54mg

四、復雜氧化還原中局部使用電子守恒

例4. 在反應 11P+15CuSO4+24H2O=5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4中，1mol CuSO4 能氧化P的物質的量是（ ）

A. 2/5 mol B. 1/5 mol C. 11/5 mol D. 1/3 mol

解析：該氧化還原反應中氧化劑為硫酸銅和一部分的磷單質，也就是說11分子的磷單質中有5分子（化合價由0降低到-3價）作為氧化劑的，有6分子（化合價由0變化到+5）作為還原劑的，所以6分子作為還原劑的磷既被硫酸銅氧化，又被自身即另外5分子氧化，依據電子守恒，6分子作為還原劑的磷總共失去30個，其中硫酸銅得到15個，另外5分子磷得到15個，所以6分子作為還原劑的磷中由3個被硫酸銅氧化，3個被自身另外5個氧化。即15mol CuSO4氧化3mol P，1 mol CuSO4能氧化P原子的物質的量為1/5 mol，通過分析反應可知答案應該是B。

五、綜合題中的應用

例5. 將0.04 mol KMnO4 固體加熱，一段時間后收集到a mol氣體，此時KMnO4分解率為x。在反應后的殘留固體中加入足量的濃鹽酸，又收集到 bmol氣體（設Mn元素全部以+2價形式存在于溶液中）。試填寫：

（1）a+b= （用x表示）

（2）當x= 時，a+b取最小值，且最小值為

（3）當a+b=0.09時，加熱后所得殘留固體的質量為

解析：不論是KMnO4的分解反應還是與濃鹽酸的反應，它們都是氧化還原反應，在這個過程中必然有電子得失，且電子得失要守恒。

①KMnO4的Mn元素失電子：

Mn（+7）→ Mn（+2） 轉移5個電子

0.04mol 0.2mol

0.04mol的KMnO4可以失去0.2mol的電子。

生成的氣體：氧氣（amol）和氯氣（bmol）得電子：

它們得到的總的電子數為：4a+2b

由得失電子守恒可得：4a+2b=0.2 a+b=0.1-a

而又根據2KMnO4 === MnO2 + K2MnO4+ O2↑

2mol----------------------- 1mol

0.04x------------------------ a=0.02xmol

所以a+b= 0.1- 0.02x

②至于第二問，當x=1時，a+b取最小值，為0.08

③當a+b=0.09時，x=0.5，此時KMnO4分解0.02mol

2KMnO4=== MnO2+K2MnO4+O2↑------固體質量減輕

2mol----------------- 1mol------1*32=32g

0.02mol--- -xg

由2/0.02=32/x得：x=0.32g

所以剩余固體的質量為：0.04*（39+55+64）g-0.32g=120g

小結：涉及氧化還原反應的計算問題，其核心就是利用得失電子的物質的量守恒來建立等式，因此，準確找到氧化劑和還原劑得失電子的數目，并利用好總結出的公式是解這類問題的關鍵。

（作者單位：貴州省遵義縣三盆中學 563100）