化學反應方程式配平的方法歸類

但世輝 齊 婷

(1.湖北省襄陽市東風中學 2.湖北省襄陽市第四中學)

1 化學方程式配平的常用方法

1.1 常用的方法——最小公倍數法

最小公倍數法的核心是利用三大守恒中的“得失電子守恒”這一原則,找出反應前后變價元素化合價的變化值,求出得失電子個數,通過最小公倍數法,保證反應前后化合價的升降總數相等,進而先求出氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的化學計量數,再用元素守恒、電荷守恒等原則配平其他物質的化學計量數.

例1配平離子反應方程式:ClO－＋Fe(OH)3＋OH－→Cl－＋＋H2O.

分析根據化合價的變化值找出ClO－和Fe(OH)3轉移的電子數分別為2和3,二者的最小公倍數為6,為保證電子轉移總數相等,故ClO－和Fe(OH)3的化學計量數分別為3和2,再根據元素守恒和電荷守恒配平余下物質的化學計量數,最終求出結果:3ClO－＋2Fe(OH)3＋4OH－＝3Cl－＋＋5H2O.

例1配平的過程是習慣性地從左向右進行配平,即正向配平,實際上,對于一些特殊的氧化還原反應(部分分解反應、歧化反應等),采用逆向配平的思維反而會簡化解題過程.

例2配平化學方程式:P4＋KOH＋H2O→K3PO4＋PH3.

分析仍然使用最小公倍數法進行配平,倘若采用正向配平,由于變價元素為P,化合價升高和降低的數目均集中在P4中,無法分開,難以單獨找出得失電子個數,最小公倍數和化學計量數的判斷也無從下手.此種情況應該采用逆向配平法:K3PO4和PH3轉移的電子數分別為5和3,最小公倍數為15,化學計量數分別為3和5,根據元素守恒進而完成其他物質的配平:2P4＋9KOH＋3H2O＝3K3PO4＋5PH3.

1.2 實用的技巧——分數法

對于有單質出現的化學反應方程式,其大多屬于氧化還原反應,若用最小公倍數法配平肯定沒問題,但需要分析得失電子個數,若使用分數法進行配平,則過程會得以簡化,具體方法為:以三大原則中的“元素守恒”為依據,利用觀察法,先找出單質之外的其他物質的化學計量數,再以單質中相應元素的守恒為依據,確定單質的化學計量數(很可能是分數).由于單質只有一種元素,其化學計量數即使是分數也不會影響其他元素的守恒,這便是分數配平法的核心.以例2為例進行說明:先配平K 元素可推知K3PO4和KOH的化學計量數分別為1和3,再根據O 元素守恒,可推知H2O 的化學計量數為1,根據H 元素守恒,可推知PH3的化學計量數為5/3,最后根據P 元素守恒,可推知P4的化學計量數為2/3,左右同時擴大3倍,得出正解.

很明顯,分數配平過程只用到了元素守恒,并未使用得失電子守恒,繞開了使用最小公倍數法必須找出電子轉移數這一麻煩,配平過程直接明了.對于一些有單質出現的化學方程式,使用分數法配平更為簡單,尤其是對于一些元素化合價難以確定并且有單質出現的化學方程式更為適用.

例3配平化學方程式:FeS2＋O2→SO2＋Fe2O3.

分析對于初學者而言,FeS2中各元素化合價難以確定,使用最小公倍數法配平則稍顯吃力,但是因為O2為單質,所以可用分數法完成配平:先根據鐵元素守恒,可推知Fe2O3、FeS2的化學計量數分別為1和2,然后根據S元素守恒,可推知SO2的化學計量數為4,再根據O 元素守恒,可推知O2的化學計量數為,最后左右同時擴大2倍可得正解:

1.3 虛擬的方法——零價法和設1法

對于一些元素化合價難以確定的物質,比如含較多變價元素的物質、原子個數帶字母的物質等,使用最小公倍數法計算得失電子個數,顯然很難完成,此時可借助零價法進行配平:將難以確定化合價的化合物中所有元素的化合價均假設為零,這樣既可以保證找到該元素的化合價,又能回避復雜化合物元素化合價難以確定的問題,便于后面計算得失電子個數,同時也保證了整個化合物的化合價總和為零,這就是零價配平法的原則.很顯然,化合價為零是虛擬出來的,只是為了簡化問題,后續依舊要依據得失電子守恒進行配平.

例4配平方程式:Fe3C＋HNO3→Fe(NO3)3＋NO↑＋CO2↑＋H2O.

分析由于Fe和C均為多價態元素,導致Fe3C中Fe和C的化合價存在多種可能,難以確定,無法進一步使用最小公倍數法進行配平.此時使用零價配平法:虛擬Fe3C 中元素Fe和C 的化合價均為0,根據Fe元素守恒,Fe(NO3)3的化學計量數暫定為3,整個反應過程,失電子總數為Fe(9個)和C(4個)的總和13,得電子總數為N 的(3個),二者的最小公倍數為39,根據逆向配平法推知NO 的化學計量數為13,CO2的化學計量數為3,Fe(NO3)3的化學計量數擴大3倍,即為9,根據Fe元素守恒推知Fe3C的化學計量數為3,根據N 元素和H 元素守恒,推知HNO3和H2O 的化學計量數分別為40、20,最終得出正解:

與零價配平法虛擬出零價價態類似,對于一些組成較為復雜的化合物,配平時可虛擬出該物質的化學計量數為1,這樣可把復雜物質的化學計量數最簡化,后續使用元素守恒確定其他物質化學計量數的時候便更容易進行,避開了復雜的得失電子數計算這一環節.

第1步,化合價升降相等,則有

第2步,電荷守恒,求得OH－系數為6m－6.

第3步,H 元素守恒,求得H2O 系數為3m－3.

2 兩類復雜方程式的配平

2.1 具有多解情況的化學方程式的配平

有一種類型的化學反應方程式,其特點是:反應過程中化合價變化的情況存在3種或者3種以上,稱之為多解化學方程式,其物質的化學計量數存在多種可能,至于為什么化學計量數存在多解,以下例進行說明.

例6配平化學反應方程式:HClO3→HClO4＋Cl2＋O2＋H2O.

分析該方程式中變化情況有3種:Cl(＋5價升為＋7價)、Cl(＋5價降為0價)、O(－2價升為0價).為便于計算得失電子數,采用逆向配平法,設HClO4、Cl2、O2的化學計量數分別為x、y、z,根據得失電子守恒可列方程:

化簡得:x＝5y－2z,該方程為三元一次方程,存在多解,因此,該化學反應方程式在配平上也會存在多種化學計量數(如表1).

表1 例6各物質化學計量數的多解可能(部分)

從上題中可以看出,對于多解化學方程式的配平,主要還是依據三大守恒中的得失電子守恒和元素守恒(若為離子反應方程式,自然要滿足電荷守恒)來進行配平,其多解的根本原因在于:變價情況存在多解,在進行得失電子守恒計算時便會推導出滿足該守恒的多種可能,上題中列出的三元一次方程式就是最好的體現.

對于變價情況達到4種或者4種以上,在具體配平的過程中,為了減少未知數的個數便于求解,往往需要用到設1法,再結合三大守恒列方程進行推導.

例7配平離子反應方程式:

表2 例7各物質化學計量數的多解可能(部分)

綜合以上兩道例題可以看出:對于多解的化學方程式,雖然配平的可能性理論上存在多種情況,但在三大守恒的基礎上巧妙使用設1 法、最小公倍數法等,求出部分配平的結果并非難事,問題在于,對于這些多解到底該如何取舍呢? 一是要看題目的具體要求.配平出來的結果從理論上來說都能存在,不能說沒有意義,更不能說這些反應沒有發生,此時可根據題目要求,假如題目中給定了實驗時所用反應物的物質的量之比,則必須按照試題要求選取正解,比如若例7題目中規定化學計量數盡可能取最小正整數,則正解應該為第3組情況.二是根據統計熱力學原理進行取舍.根據統計熱力學原理,化學反應實際上是雜亂分子有效碰撞的結果,多個微觀粒子發生碰撞的概率小,而少個粒子發生有效碰撞的概率要大得多,化學方程式的配平結果中反應物計量數總數最小時最接近客觀事實.根據該理論,例6應該采用組號1,例7應該采用組號3完成配平.

2.2 有機物局部基團原子化合價發生變化的化學方程式的配平

所謂有機物局部基團原子化合價發生變化的方程式,是指有機物中部分基團被氧化或者被還原成新的基團,該基團中某些原子化合價發生變化,但除了這些基團之外,有機物其他構成部分并未參與氧化還原反應的過程.此類反應是相對于有機物徹底被氧化或者被還原的反應方程式而言,以例8和例9為例進行對比說明.

例8配平反應方程式:CH3CH2OH＋O2→CO2＋H2O.

例9配平反應方程式:C6H5—CH3＋KMnO4＋H2SO4→C6H5—COOH＋MnSO4＋K2SO4＋H2O.

分析對于例8,有機物CH3CH2OH 中的所有碳原子均參與了氧化還原反應過程,均被氧化成了CO2,化合價由－2 升高至＋4(CH3CH2OH 中的化合價由氫、氧2種元素的化合價進行推導,其中將氫、氧2種元素的化合價看成是＋1、－2,求出碳的平均化合價為－2).配平該類有機化學反應方程式較為簡單,可用分數法最后配平O2的化學計量數,也可用最小公倍數法直接配平,不再贅述.

相對于例8,例9明顯不同:有機物C6H5—CH3并不是所有碳原子均參與了氧化還原過程,只有基團—CH3被氧化成了—COOH,而C6H5—反應前后并沒有變化.倘若使用最小公倍數法,利用得失電子守恒進行配平,則需要求出整個有機物中7個碳的平均化合價,一是非常麻煩,二是不符合反應事實(因為將氧化了的和未被氧化的碳原子全部看作參與了氧化還原過程).為避開這些問題,簡化配平過程,可以只關注被氧化基團中原子化合價的變化情況,借用零價法的原理,將被氧化的基團和氧化生成的相應基團的總化合價確定為0,氫、氧原子的化合價看作＋1、－2,分析被氧化基團內的原子在反應前后化合價的變化情況,再根據得失電子守恒利用最小公倍數法進行配平.

對于例9,首先明確只有—CH3被氧化成了—COOH,其他基團沒有參與氧化還原過程,設定—CH3和—COOH 的總化合價為0,根據碳、氫的化合價可推出—CH3中的碳的化合價為－3,—COOH中碳的化合價為＋3,該過程轉移電子數為6,另外一邊KMnO4轉化為MnSO4,電子轉移數為5,根據最小公倍數法可快速找出C6H5—COOH 和MnSO4的化學計量數分別為5、6,再根據元素守恒可配平其他物質的化學計量數得到正解:

對于只有部分基團原子化合價發生變化的有機反應,配平時只關注變價原子所在的基團,將該基團視作反應物,關鍵點在于找準該反應物參與氧化還原反應過程之后的生成物,然后對照分析該反應物和生成物,在得失電子守恒的基礎上利用最小公倍數法進行配平.

化學方程式配平的方法和技巧很多,不管如何配平,一定要遵循三大守恒:元素守恒、電荷守恒和得失電子守恒,在具體配平的過程中,目的是快速高效地完成配平,這就需要根據所配方程式本身的特點去選用最合適的配平方法從而靈活處理(如表3).

表3 化學方程式配平的方法總結

(完)