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        應(yīng)用電子守恒化解氧化還原難題

        2017-09-25 17:54:38曾春伯
        中學(xué)化學(xué) 2017年7期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)狀況化合價(jià)本題

        曾春伯

        電子守恒指:氧化劑得電子總數(shù)=還原劑失電子總數(shù),電子守恒的內(nèi)容很容易被理解,但是在應(yīng)用上不容易被掌握。電子守恒是解決氧化還原計(jì)算的金鑰匙,但是很多學(xué)生并不能很好將此規(guī)律應(yīng)用到平時(shí)的計(jì)算過程中。下面,筆者將從一道模擬題入手,對電子守恒在氧化還原計(jì)算中的應(yīng)用做詳細(xì)闡述。

        一、題目引入及問題剖析

        例1 (2016年臨沂市高考模擬)在含有0.078 mol FeSO4的溶液中,通入0.009 mol Cl2,再加入含有0.01 mol X2O2-7的溶液后,F(xiàn)e2+巧合完全轉(zhuǎn)化為Fe3+,則反應(yīng)后元素X的化合價(jià)為( )。

        問題剖析 使用常規(guī)解題方法時(shí),需利用氧化還原方程式計(jì)算,首先,根據(jù)

        6FeSO4+2Cl22FeCl2+2Fe2(SO4)3

        可得6/n(FeSO4)1=3/0.009 mol,經(jīng)計(jì)算可知n(FeSO4)1=0.018 mol,然后根據(jù)

        X2O2-7+14H++(12-2n)FeSO4→2Xn++(12-2n)Fe2++7H2O+(12-2n)SO2-4

        可得1/0.01mol=(12-2n)/n(FeSO4)2,所以n(FeSO4)2=0.01(12-2n)mol,又因?yàn)閚(FeSO4)=n(FeSO4)1+n(FeSO4)2,所以0.078 mol=0.018 mol+0.01(12-2n)mol,最終求得n=+3。

        應(yīng)用得失電子守恒方法可進(jìn)行如下計(jì)算,本題中氧化劑為Cl2和X2O2-7,還原劑只有FeSO4,且在此反應(yīng)中Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+,化合價(jià)升高1,所以FeSO4失去電子數(shù)為0.078 mol,氧化劑Cl2→2Cl-,化合價(jià)降低2,Cl2得到電子數(shù)為0.09 mol×2=0.018 mol,假設(shè)X2O2-7被還原后變?yōu)?n價(jià),那么X2O2-7得到電子數(shù)為0.01 mol×2×(6-n),根據(jù)得失電子守恒可知,氧化劑得到的總的電子數(shù)=還原劑失去的總的電子數(shù),即:0.01mol×2×(6-n)+0.018 mol=0.078 mol,解得:n=+3。

        二、題后反思

        由于本題的中間過程比較復(fù)雜,若想采用常規(guī)方法解答,計(jì)算量大,非常容易算錯(cuò)。而采用得失電子守恒法計(jì)算,可以巧妙地避免討論復(fù)雜的中間計(jì)算過程,達(dá)到化繁為簡的目的。筆者通過總結(jié)近些年的高考題,發(fā)現(xiàn)得失電子守恒法的應(yīng)用十分廣泛,學(xué)生若能熟練掌握此方法,那么在高考中不但可以提高解題正確率,而且可以節(jié)約大量的時(shí)間去檢查和研究其他難題。

        1.根據(jù)得失電子守恒,求解沉淀質(zhì)量

        例2 (2015年江蘇省高考模擬)將11.9 g由Mg、Al、Fe三者組成的合金,溶解在足量的NaOH溶液中,稱量發(fā)現(xiàn)合金的質(zhì)量減少2.7g。另外取相同質(zhì)量的此合金溶解在過量的稀HNO3中,生成的NO氣體的體積為6.72 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下),當(dāng)向反應(yīng)后的溶液中加適量的NaOH溶液,使得Mg2+、Al3+、Fe3+全部變?yōu)槌恋頃r(shí),那么沉淀的質(zhì)量為( )。

        思路點(diǎn)撥 本題涉及到的氧化還原步驟比較多,若按部就班解題,那么計(jì)算過程會非常復(fù)雜。如果根據(jù)已知信息,分析出沉淀的總質(zhì)量是合金質(zhì)量加上各個(gè)金屬離子所結(jié)合的氫氧根的質(zhì)量,那么本題解答起來將會非常簡單。由于合金質(zhì)量已知,因此,解決本題的關(guān)鍵是求得氫氧根的質(zhì)量。根據(jù)各個(gè)金屬發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可知,金屬在與稀HNO3反應(yīng)時(shí),失去電子的物質(zhì)的量與各個(gè)金屬結(jié)合的OH-的物質(zhì)的量相等。根據(jù)得失電子守恒可知:n(e-)=n(OH-)=6.72 L/22.4 L·mol-1×3=0.9 mol,m(沉淀)=m(合金)+m(OH-)=11.9 g+17 g·mol-1×0.9 mol=27.2 g,即生成沉淀的質(zhì)量為27.2 g。

        2.根據(jù)得失電子守恒,求氧化產(chǎn)物

        例3 (2016年河北省高考模擬題)將50.00 mL 0.10 mol/L的酸性羥氨溶液,與過量的Fe2(SO4)3在煮沸狀態(tài)下充分反應(yīng),生成的Fe2+恰好被50.0 mL 0.04 mol/L的酸性KMnO4溶液氧化,則羥氨最終被氧化成的產(chǎn)物為( )。

        思路點(diǎn)撥

        此化學(xué)反應(yīng)中羥氨被Fe3+氧化,F(xiàn)e3+變?yōu)镕e2+,而Fe2+又被酸性的KMnO4溶液氧化。從整體來講,羥氨所失去的電子全部轉(zhuǎn)化到KMnO4中,所以解答本題時(shí)只需考慮始終態(tài)。已知羥氨中的N為-1價(jià),假設(shè)羥氨被氧化成的氧化產(chǎn)物中N的化合價(jià)為x,又已知KMnO4中的Mn為+7價(jià),與Fe2+反應(yīng)后變?yōu)?2,根據(jù)得失電子守恒得,[x-(-1)]×50.00 mL×0.10 mol/L=(7-2)×

        50.00 mL×0.04 mol/L,經(jīng)計(jì)算得:x=1,因此羥氨被氧化為N2O。

        3.根據(jù)得失電子守恒,求氣體體積

        例4 將6.4 g Cu和一定質(zhì)量的濃HNO3充分混合,待Cu被反應(yīng)完時(shí),可收集到4.48 L的氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。如果想把收集到這些氣體的集氣瓶倒立在水中,那么需要充入多少升的O2(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)才能使得瓶子被水充滿?

        思路點(diǎn)撥 此題目中的氧化還原反應(yīng)分多步進(jìn)行,若想采用常規(guī)方法解答,需先求出NO、NO2的物質(zhì)的量,然后根據(jù):

        4NO2+O2+2H2O4HNO3

        4NO+3O2+2H2O4HNO3

        求得n(O2),進(jìn)而求得其體積,由此可以看出常規(guī)方法解題比較麻煩。通過對本題進(jìn)行仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)中間過程并沒有消耗電子,因此,解答本題時(shí),只需找出始終狀態(tài),然后建立兩者間存在的等量關(guān)系即可。根據(jù)題目可知:Cu所失電子數(shù)=起還原作用HNO3所得電子數(shù)=NO、NO2消耗的O2所得電子數(shù),將中間步驟省去可得:Cu所失電子數(shù)=O2所得電子數(shù)。又因?yàn)椋?×n(Cu)=4×n(O2),所以n(O2)=6.4 g/64 g·mol-1×2/4=0.05 mol,V(O2)=0.05 mol×22.4 L/mol=1.12 L,因此,若想將氣瓶內(nèi)充滿水,需要通入1.12 L的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氧氣。

        (收稿日期:2017-05-20)endprint

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