小化修复了抗氧化圣殿后,古灵带他来到一座巍峨的宝塔前。塔身上刻着五个大字:“配平之塔”。古灵说:“这座塔维系着世间万物的电子平衡,但混沌侵蚀了它的核心,导致方程式配平混乱。你需要收集四块配平之石,帮它恢复光芒。”
小化来到塔的入口处,门上刻着几道方程式。古灵说:“观察下列方程式,找出氧化剂和还原剂,并思考这些方程式有何区别?”小化仔细观察:① Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu;② Fe₂O₃ + 3CO =高温= 2Fe + 3CO₂。
“这两个反应中,氧化剂和还原剂为不同物质,属于一般氧化还原反应。”古灵说,“再看③ NH₄NO₃ =Δ= 2H₂O + N₂O↑;④ Cl₂ + 2NaOH = NaCl + NaClO + H₂O;⑤ 3S + 6NaOH =Δ= 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O。这三个反应中,氧化剂和还原剂为同一物质,属于自身氧化还原反应。其中,④⑤又称为歧化反应,它指的是同一物质的分子中同一价态的同一元素间发生的氧化还原反应,即同一物质中同一价态的元素在发生氧化还原反应过程中发生了‘化合价变化上的分歧’。”
古灵又说:“再看⑥ SO₂ + 2H₂S = 2H₂O + 3S↓;⑦ H₂S + H₂SO₄(浓) = S↓ + SO₂↑ + 2H₂O。这两个反应中,元素的两种化合价向中间靠拢,属于归中反应。归中反应指同种元素组成的不同物质之间发生反应,元素的两种化合价向中间靠拢但不允许交叉,最多归中为同一化合价的氧化还原反应。”
“最后看⑧ 3Cu + 8HNO₃(稀) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O;⑨ MnO₂ + 4HCl(浓) =Δ= MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂↑。这两个反应中,还原剂只有部分被氧化、或氧化剂只有部分被还原,属于部分氧化还原反应。”古灵补充道,“对于部分氧化还原反应,氧化剂(还原剂)中被还原(氧化)与未被还原(氧化)的比例,要依据化学方程式或得失电子数来确定,只有被还原(氧化)的那部分才作氧化剂(还原剂)。比如3Cu + 8HNO₃(稀)中,8个HNO₃中只有2个作氧化剂;MnO₂ + 4HCl(浓)中,4个HCl中只有2个作还原剂。”
小化恍然大悟:“原来氧化还原反应可以分为四类:一般氧化还原反应、自身氧化还原反应、归中反应、部分氧化还原反应!那第一块配平之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了氧化还原反应的分类。”
小化拿着第一块配平之石,来到配平之塔的第二层。古灵说:“这一关,你要掌握氧化还原反应的配平。配平有三大原则:第一,电子守恒:氧化剂和还原剂得失电子总数相等,化合价升高总数 = 化合价降低总数;第二,质量守恒:反应前后原子的种类和个数不变;第三,电荷守恒:离子反应前后,所带电荷总数相等。”
古灵又说:“配平的基本步骤有五步:第一步,标变价:标出变价元素的化合价;第二步,列得失:列出化合价的变化值;第三步,等升降:用最小公倍数法配平使化合价升降总数相等;第四步,配系数:用原子守恒法配平其它物质的化学计量数;第五步,查守恒:检查原子、电荷是否守恒,并将短线改等号。注意,只有离子方程式需要检查电荷是否守恒。”
小化拿起笔,试着配平:2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + 2HCl + S↓。他分析:“Fe的化合价从+3降低到+2,每个Fe得到1e⁻,2个Fe共得到2e⁻;S的化合价从-2升高到0,每个S失去2e⁻。得失电子守恒,配平系数:2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + 2HCl + S↓。”
古灵点头:“很好!对于一般氧化还原反应,一般从左边氧化剂、还原剂着手配平。对于自身氧化还原反应,一般从右边氧化产物、还原产物配平。对于归中反应,一般从左边氧化剂、还原剂着手配平。对于部分氧化还原反应,一般先配平得失电子,再加上没有变价的部分。”
小化感叹:“原来配平有这么多技巧!那第二块配平之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了配平三大原则与五步法。”
小化拿着第二块配平之石,来到配平之塔的第三层。古灵说:“这一关,你要掌握各类氧化还原反应的配平技巧。归纳总结为四句话:一般从左配,自变从右配,归中从左配,部分别忘加。”
“一般从左配:对于一般氧化还原反应,一般从左边氧化剂、还原剂着手配平。比如 2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + 2HCl + S↓。自变从右配:对于自身氧化还原反应,一般从右边氧化产物、还原产物配平。比如 4HNO₃ =Δ= 4NO₂↑ + O₂↑ + 2H₂O;3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO;3S + 6NaOH =Δ= 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O。”
“归中从左配:对于归中反应,一般从左边氧化剂、还原剂着手配平。比如 4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O;5KI + KIO₃ + 3H₂SO₄ = 3K₂SO₄ + 3I₂ + 3H₂O。部分别忘加:对于部分氧化还原反应,一般先配平得失电子,再加上没有变价的部分。比如 Cu + 2H₂SO₄(浓) =Δ= CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O;Fe + 4HNO₃(稀) = Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O。”
古灵补充:“对于氧化还原离子方程式,若电荷不守恒,需根据溶液的酸碱性,利用H⁺/OH⁻配平电荷。比如 MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ = Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O;3MnO₂ + 2Fe(OH)₃ + 4OH⁻ = 3Cl⁻ + 2FeO₄²⁻ + 5H₂O。若变价元素在物质中有下标,配平时需要额外注意该元素的化合价变化数目,不要忘记乘下标。”
小化拿起笔,试着配平:3ClO⁻ + 2Fe(OH)₃ + 4OH⁻ = 3Cl⁻ + 2FeO₄²⁻ + 5H₂O。他分析:“Cl的化合价从+1降低到-1,每个Cl得到2e⁻;Fe的化合价从+3升高到+6,每个Fe失去3e⁻。得失电子守恒,ClO⁻和Fe(OH)₃的系数比为3:2。配平后得到:3ClO⁻ + 2Fe(OH)₃ + 4OH⁻ = 3Cl⁻ + 2FeO₄²⁻ + 5H₂O。”
小化感叹:“原来配平有这么多技巧!那第三块配平之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了各类氧化还原反应的配平技巧。”
小化集齐了三块配平之石,来到配平之塔的最顶层。古灵说:“最后一关,综合运用氧化还原反应分类与配平的知识,解决实际问题。”小化看到面前有几道综合题。
第一题:有一种用实际参加化学反应的离子符号来表示化学反应的式子叫离子方程式,在离子方程式中,反应前后电荷是守恒的。如下离子方程式:2RO₄ⁿ⁻ + 5C₂O₄²⁻ + 16H⁺ = 2R²⁺ + 10CO₂↑ + 8H₂O,由此可知在RO₄ⁿ⁻中,元素R的化合价是?小化分析:“根据电荷守恒,左边:2×(-n) + 5×(-2) + 16×(+1) = 右边:2×(+2) + 0 + 0,即 -2n - 10 + 16 = 4,解得 n = 1。RO₄⁻中R的化合价为+7。”
第二题:配平下列化学反应:(1) HCl(浓) + MnO₂ =Δ= Cl₂↑ + MnCl₂ + H₂O;(2) Cu + HNO₃(稀) = Cu(NO₃)₂ + NO↑ + H₂O;(3) S + KOH = K₂S + K₂SO₃ + H₂O;(4) ClO⁻ + Fe(OH)₃ + OH⁻ = Cl⁻ + FeO₄²⁻ + H₂O。小化逐一配平:(1) 4HCl(浓) + MnO₂ =Δ= Cl₂↑ + MnCl₂ + 2H₂O;(2) 3Cu + 8HNO₃(稀) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O;(3) 3S + 6KOH = 2K₂S + K₂SO₃ + 3H₂O;(4) 3ClO⁻ + 2Fe(OH)₃ + 4OH⁻ = 3Cl⁻ + 2FeO₄²⁻ + 5H₂O。
小化将三块配平之石嵌入配平之塔的核心,塔身顿时光芒四射,方程式全部配平。他感慨道:“氧化还原反应的分类与配平真是博大精深!从四大分类到三大原则,从五步配平法到各类反应的配平技巧,每一步都需要严谨的分析。”古灵微笑着说:“你已经完全掌握了氧化还原反应分类与配平的奥秘。”
口诀总结:氧化还原分类清,一般自变归中和部分;配平原则要记牢,电子质量电荷守恒;五步配平标列等配查,缺项配平用守恒;一般从左自右配,归中从左部分加;离子配平查电荷,酸碱环境补H⁺/OH⁻。