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(shù)法

最小公倍數(shù)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(shù),通過最小公倍數(shù)法,保證反應前后化合價的升降總數(shù)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(shù),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(shù).

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

分析根據(jù)化合價的變化值找出ClO－和Fe(OH)3轉移的電子數(shù)分別為2和3,二者的最小公倍數(shù)為6,為保證電子轉移總數(shù)相等,故ClO－和Fe(OH)3的化學計量數(shù)分別為3和2,再根據(jù)元素守恒和電荷守恒配平余下物質的化學計量數(shù),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(shù)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(shù)目均集中在P4中,無法分開,難以單獨找出得失電子個數(shù),最小公倍數(shù)和化學計量數(shù)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(shù)分別為5和3,最小公倍數(shù)為15,化學計量數(shù)分別為3和5,根據(jù)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(shù)法

對于有單質出現(xiàn)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(shù)法配平肯定沒問題,但需要分析得失電子個數(shù),若使用分數(shù)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(jù),利用觀察法,先找出單質之外的其他物質的化學計量數(shù),再以單質中相應元素的守恒為依據(jù),確定單質的化學計量數(shù)(很可能是分數(shù)).由于單質只有一種元素,其化學計量數(shù)即使是分數(shù)也不會影響其他元素的守恒,這便是分數(shù)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(shù)分別為1和3,再根據(jù)O 元素守恒,可推知H2O 的化學計量數(shù)為1,根據(jù)H 元素守恒,可推知PH3的化學計量數(shù)為5/3,最后根據(jù)P 元素守恒,可推知P4的化學計量數(shù)為2/3,左右同時擴大3倍,得出正解.

很明顯,分數(shù)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(shù)法必須找出電子轉移數(shù)這一麻煩,配平過程直接明了.對于一些有單質出現(xiàn)的化學方程式,使用分數(shù)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(xiàn)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(shù)法配平則稍顯吃力,但是因為O2為單質,所以可用分數(shù)法完成配平:先根據(jù)鐵元素守恒,可推知Fe2O3、FeS2的化學計量數(shù)分別為1和2,然后根據(jù)S元素守恒,可推知SO2的化學計量數(shù)為4,再根據(jù)O 元素守恒,可推知O2的化學計量數(shù)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(shù)帶字母的物質等,使用最小公倍數(shù)法計算得失電子個數(shù),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(shù),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(xù)依舊要依據(jù)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(tài)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(shù)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(jù)Fe元素守恒,Fe(NO3)3的化學計量數(shù)暫定為3,整個反應過程,失電子總數(shù)為Fe(9個)和C(4個)的總和13,得電子總數(shù)為N 的(3個),二者的最小公倍數(shù)為39,根據(jù)逆向配平法推知NO 的化學計量數(shù)為13,CO2的化學計量數(shù)為3,Fe(NO3)3的化學計量數(shù)擴大3倍,即為9,根據(jù)Fe元素守恒推知Fe3C的化學計量數(shù)為3,根據(jù)N 元素和H 元素守恒,推知HNO3和H2O 的化學計量數(shù)分別為40、20,最終得出正解:

與零價配平法虛擬出零價價態(tài)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(shù)為1,這樣可把復雜物質的化學計量數(shù)最簡化,后續(xù)使用元素守恒確定其他物質化學計量數(shù)的時候便更容易進行,避開了復雜的得失電子數(shù)計算這一環(huán)節(jié).

第1步,化合價升降相等,則有

第2步,電荷守恒,求得OH－系數(shù)為6m－6.

第3步,H 元素守恒,求得H2O 系數(shù)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(shù)存在多種可能,至于為什么化學計量數(shù)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(shù),采用逆向配平法,設HClO4、Cl2、O2的化學計量數(shù)分別為x、y、z,根據(jù)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(shù)(如表1).

表1 例6各物質化學計量數(shù)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(jù)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(xiàn).

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(shù)的個數(shù)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(shù)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(shù)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(fā)生,此時可根據(jù)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(guī)定化學計量數(shù)盡可能取最小正整數(shù),則正解應該為第3組情況.二是根據(jù)統(tǒng)計熱力學原理進行取舍.根據(jù)統(tǒng)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(fā)生碰撞的概率小,而少個粒子發(fā)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(shù)總數(shù)最小時最接近客觀事實.根據(jù)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)法最后配平O2的化學計量數(shù),也可用最小公倍數(shù)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(shù)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(jù)得失電子守恒利用最小公倍數(shù)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(jù)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(shù)為6,另外一邊KMnO4轉化為MnSO4,電子轉移數(shù)為5,根據(jù)最小公倍數(shù)法可快速找出C6H5—COOH 和MnSO4的化學計量數(shù)分別為5、6,再根據(jù)元素守恒可配平其他物質的化學計量數(shù)得到正解:

對于只有部分基團原子化合價發(fā)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(shù)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(jù)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)