例談電荷守恒在高中化學中的應用

溫向前

電荷（電子）守恒是化學中普遍存在的一種規律.凡是化學反應均服從電荷守恒.在高中化學學習中，學生若能避開復雜的反應和中間過程，直接尋找始態和終態中特有的電荷守恒關系，能幫助學生更快、更便捷地解決較為復雜的問題，提高解題的速度和準確度.本文主要通過實例介紹電荷守恒在高中化學中的應用，旨在幫助學生理解和掌握電荷守恒的基本概念和基本方法，從而提高學生利用電荷守恒法解決化學問題的能力.

一、電荷守恒在電解質溶液中的應用

1.方法介紹

由于電解質溶液一定呈電中性，所以電解質溶液中的陽離子所帶的正電荷總數與陰離子所帶的負電荷總數相等，即：陽離子的物質的量×陽離子的電荷數=陰離子的物質的量×陰離子的電荷數.因此，當涉及到與電解質溶液或固體離子化合物及它們的混合物中離子的物質的量或物質的量濃度等問題有關的化學問題時，可考慮電荷守恒法.

2.例題解析

例1 在a L Al2（SO4）3和（NH4）2SO4的混合溶液中加入b mol BaCl2，恰好使溶液中的SO2-4完全沉淀；如加入足量強堿并加熱可得到c mol NH3，則原溶液中Al3+的濃度（mol·L-1）為 （ ）.

A.2b-c2a B.2b-ca

C.2b-c3a D.2b-c6a

解析 由于產生c mol NH3，則必定有NH+4 c mol，使SO2-4完全沉淀需Ba2+ b mol，因此SO2-4有b mol.根據電荷守恒： 2c（SO2-4）=c（NH+4）+3c（Al3+），則3c（Al3+）=（2×ba-ca） mol·L-1，c（Al3+）=2b-c3amol·L-1.

例2 在硫酸、明礬和硫酸鋁組成的混合溶液中，c（Al3+）=0.3 mol·L-1，c（SO2-4）=0.7 mol·L-1，由水電離的c（H+）=10-13mol·L-1，則c（K+）為 （ ）.

A.0.15 mol·L-1 B.0.2 mol·L-1

C.0.3 mol·L-1 D.0.4 mol·L-1

解析 由水電離的c（H+）=10-13mol·L-1，則由水電離的c（OH-）=10-13mol·L-1，說明水的電離主要受到硫酸電離的抑制，溶液中的c（H+）=0.1 mol·L-1，根據電荷守恒可得c（Al3+）×3+c（H+）+c（K+）=c（SO2-4）×2+c（OH-），則c（K+）≈0.4 mol·L-1.

二、電荷守恒在氧化還原反應中的應用

1.方法介紹

在氧化還原反應中（或系列化學反應中）氧化劑所得電子總數等于還原劑所失電子總數；或在電解池、原電池中兩極轉移的電子總數相等.常見的類型主要有：

（1）在氧化還原反應中：氧化劑得電子總數=還原劑失電子總數；

（2）在電解過程中：陰極得電子總數=陽極失電子總數；

（3）在原電池中：負極失去的電子數=正極得到的電子數.

在處理此三類問題時，一般應采取如下步驟進行處理：

第一步，找出氧化劑、還原劑及相應的還原產物和氧化產物；

第二步，找準一個原子或離子得失電子數（注意化學式中粒子的個數）；

第三步，根據題中物質的物質的量和電子守恒列出等式，即n（氧化劑）×變價原子個數×化合價變化值（高價-低價）=n（還原劑）×變價原子個數×化合價變化值（高價-低價）.

2.例題解析

例3 ClO2是一種廣譜型的消毒劑，根據世界環保聯盟的要求ClO2將逐漸取代Cl2成為生產自來水的消毒劑.工業上常用NaClO3和Na2SO3溶液混合并加H2SO4酸化后反應制ClO2，在以上反應中NaClO3和Na2SO3的物質的量之比為（ ）.

A.1∶ 1 B.2∶ 1

C.1∶ 2 D.2∶ 3

解析 NaClO3和Na2SO3溶液混合產生ClO2和Na2SO4，根據氧化還原反應中電子得失守恒的關系，有

n（NaClO3）×1=n（Na2SO3）×2

可求得n（NaClO3）∶n（Na2SO3）=2∶1.

例4 將一定質量的鎂、銅合金加入稀硝酸溶液中，兩者恰好完全反應，假設反應過程中還原產物全部是NO，向所得溶液中加入物質的量濃度為3 mol·L-1的NaOH溶液至沉淀完全，測得生成沉淀的質量比原合金的質量增加5.1 g，則下列有關敘述中正確的是 （ ）.

A.沉淀完全時消耗NaOH溶液的體積為100 mL

B.參加反應的硝酸的物質的量為0.1 mol

C.開始加入合金的質量可能為16.4 g

D.標準狀況下產物NO的體積為22.4 L

解析 選A.

將一定量的鎂、銅合金加入稀硝酸中，兩者恰好完全反應，金屬、硝酸都沒有剩余，反應中還原產物只有NO，發生反應：

3Mg+8HNO3（?。?/p>

3Mg（NO3）2+2NO↑+4H2O

3Cu+8HNO3（稀）

3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

向反應后的溶液中加入3 mol·L-1NaOH溶液至沉淀完全，發生反應：

Mg（NO3）2+2NaOHMg（OH）2↓+2NaNO3

Cu（NO3）2+2NaOHCu（OH）2↓+2NaNO3

沉淀為氫氧化鎂和氫氧化銅，生成沉淀的質量比原合金的質量增加5.1 g，則氫氧化鎂和氫氧化銅含有氫氧根的質量為5.1 g，氫氧根的物質的量為5.1 g/17 g·moL-1=0.3 mol，則鎂和銅的總的物質的量為0.3 mol/2=0.15 mol，根據電子轉移守恒，轉移0.3 mol電子，生成NO為0.3 mol/（5-2）=0.1 mol.加入的氫氧化鈉恰好與硝酸鎂、硝酸銅反應，由上述分析可知，加入的NaOH為0.3 mol，故加入NaOH溶液的體積為0.3 mol/3 mol·L-1=0.1 L=100 mL，故A正確；根據方程式可知參加反應的n反應（HNO3）=83×n（金屬）=83×0.15 mol=0.4 mol，故B錯誤；鎂和銅的總的物質的量為0.15 mol，假定全為鎂，質量為0.15 mol×24 g·moL-1=3.6 g，若全為銅，質量為0.15 mol×64 g·moL-1=9.6 g，所以參加反應的金屬的總質量（m）為3.6 g

例5 取Pt和Zn為電極材料埋入人體內作為心臟起搏器的能源，它跟人體的體液中含有一定濃度的溶解O2、H+和Zn2+進行作用.

（1）其正極的反應式為負極的反應式為

（2）心臟起搏器是一種人造心臟激勵器.它向心臟發送小的電脈沖，以使心臟有規則地跳動.大多數起搏器是由鋰電池或銀鋅電池驅動.有一種心臟起搏器中使用的新型Li-I2電池使用壽命可超過10年，其反應可簡化為：

2Li+I22LiI

則工作時負極的電極反應為

，根據你所學的堿金屬的有關知識判斷：該新型鋰電池中能否用LiI水溶液作電解液？

（選填“能”或“不能”）原因是

.

解析 （1）正極反應式為：

O2+4H++4e2H2O；

負極反應式為：

2Zn-4e2Zn2+

（2）負極：2Li-2e2Li+，不能，原因是：Li在常溫時能跟水劇烈反應.

總之，電荷守恒法是中學化學計算中一種很重要的方法與技巧，也是在高考試題中應用最多的方法之一，其特點是抓住有關變化的始態和終態，忽略中間過程，利用其中某種不變量建立關系式，從而簡化思路，快速解題.

（收稿日期：2015-11-22）