关于氧化还原的思考

关于氧化还原的思考

张亚芬

天津市万盛高级中学

用化合价升降法配平氧化-还原反应方程式是要求学生掌握的一个重要的技能，也是中学化学中的一个难点。通过一定程度的训练，大多数的学生对于配平的原理、步骤还是容易接受的，但是，由于氧化-还原反应类型比较复杂，在配平过程中总是会出现这样或者那样的错误。在很多情况下，尽管方程式本身已经配平，但标出的升高（或降低）总数是不正确的。

例如：2 Fe ²⁺ +2Br^-+2Cl₂=2 Fe ³⁺ +Br₂+4 Cl^- 虽然电荷和质量都是守恒的但并不符合事实.对于学生判断正误造成了困扰。本文试图把中学阶段学生应掌握的和可能见到的无机物之间氧化-还原反应，在配平过程中容易出现的错误和应注意的几个问题分作几种类型做一个归纳分析。

1. 分子间的氧化-还原反应

1. 基本型

这是一种最基本的也是最基础的氧化-还原反应，学生易于接受，也较少出现错误。

升高2价x3

例： 3H₂S +2HNO₃=3S + 2NO+4H₂O

降低3价x2

降低1价X6

S+6HNO₃= H₂SO₄+6NO₂+2H₂O

升高6价

应注意其中有些反应中，元素被氧化（或被还原）后以同一价态分别在两种或两种以上的物质中存在，例如：

降低4价x5

4NH₃+5O₂=== 4NO+6H₂O

升高5价x4 降低4价x5

在这里O₂被还原后以-2价分别存在于NO和H₂O中，这种类型的方程式可以任意选择一种物质标出化合价的变化而不影响方程式的配平。这一点给学生指出就可以了。

属于基本型的方程式还有很多：

H₂S+HNO₃—S+NO+H₂O C+H₂SO₄—CO₂+SO₂+H2O

Cu+FeCl₃—CuCl₂+FeCl₂ P+HNO₃+H₂O—H₃PO₄+NO

这种类型的反应最合适作基本训练。

2.双原子（或多原子）反应的类型

这种类型指被氧化或被还原的元素在还原剂或者氧化剂分子中以双原子（或多原子）的形式存在，

例：

升高10价x3

3I₂+10 HNO₃===6HIO₃+10NO+2H₂O

降低3价x10

I₂--- HIO₃碘的化合价升高了5价，两个碘原子共升高了10价，在这里学生容易忽略到反应物里I₂是双原子分子，错误的把化合价升数定为5从而出现下面的错误，使方程式无法配平。

升高5价

第一步： I₂+HNO₃—HIO₃+NO+H₂O

降低3价

升高5价x3

第二步： 3I₂+5HNO₃—6HIO₃+5NO+H₂O

降低3价x5

对于这一类的反应提醒学生注意元素的化合价升降数不是一个原子的升降数，还要乘上反应物分子中该元素的原子个数。

3.双原子（或多原子）生成物型

这一类型的元素被氧化（或还原）后在生成物的分子中以两个或两个以上原子组成，

例如： 降低5价x2

10FeSO₄+2KMnO₄+8H₂SO₄=5Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+2MnSO₄+8H₂O

升高1价x10

这种类型的方程式学生容易犯的错误主要有以下两种形式

降低5价

① 5FeSO₄+KMnO₄+8H₂SO₄—Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+MnSO₄+H₂O

升高1价x 5

这里没有考虑Fe₂(SO4)₃分子式中含有2个铁原子而配上了乘数5，阻碍了下一步的配平，甚至出现错误。

降低5价x2

② 5FeSO₄+2KMnO₄+H₂SO₄ —5Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+MnSO₄+8H₂O

升高2价x5

这是错误的按生成的Fe(SO₃)₃分子中有2个铁原子出发，把铁的化合价升高数定为2于是配上系数5，使其于与锰的化合价降低总数相等，但是把铁的化合价变化写作“升高2价×5”并在FeSO₄分子式前Fe面配上系数5都是错误的。并且使下一步的方程式无法配平。以致出现错误。

对于这种类型的方程式，教学中应强调两点。

一、判断元素化合价的变化数要以反应物分子中该元素的原子个数为确定。

二、为使化合价升降总数相等配上的乘数还要确保是这些元素在生成物分子中的原子个数的最简单的整数倍。(一般的大多数的乘数为简单的偶数)。

类似的方程式如:

Fe₂SO₄+HNO₃+H₂SO₄—Fe₂(SO₄)₃+NO+H2O

HI+KMnO₄+H₂SO₄—K₂SO₄+MnSO₄+I₂+H₂O

4.被氧化剂被还原的产物为同一物质的类型。

例如: 降低4价

2H₂S+SO₂=3S+H₂O

升高2价x2

对于这种类型的方程式。应指出该产物的系数，由被氧化和被氧化的同一元素的原子个数之和来确定。这里S的系数3是由H₂S和SO₂中的硫原子个数之和(2+1)来决定的。

类似的方程式如:FeCl₃+Fe—FeCl₂ S+H₂SO₄—SO₂+H₂O

NO+NO₂+NaOH—NaNO₂+H₂O

5.氧化剂(或还原剂)中有一部分未参与氧化-还原过程的类型。

例如： 升高1价x2

MnO₂+4HCl=MnCl₂+Cl₂ +2H₂O

降低2价

反应中HCl有一部分被MnO₂氧化成Cl₂，另一部分与Mn²⁺结合成MnCl₂。而未被氧化所以HCl系数要由两个过程中的氯原子个数来确定。因此，HCl的系数在配平过程中要放在MnCl₂和Cl₂的系数确定后再推出，但学生在配平过程中却往往忽略了这一点。当看到化合价升高总数确定后根据(升高1价x2)中的乘数2，就错误的把HCl的系数定为2，造成配平失误。这种类型的反应在高中是常见的。并在多种类型的题中常见，在教学过程中应反复强调指出对这种类型反应中的氧化剂或还原剂。(一般多为酸)分子式前面的系数与化合价升降总和表示式中的“乘数”不一致。要由其和未参与氧化-还原过程中的该元素的原子个数之和来确定；而且其系数一般要在其他的物质分子式前面的系数确定后才能确定。

类似的反应如

KMnO₄+HCl—KCl+MnCl₂+H₂O

KBr+H₂SO₄—K₂SO₄+SO₂+Br₂+H₂O

NH₃+Cl₂—NH₄Cl+N₂ Zn+HNO₃—Zn(NO₃)₂+N₂O+H₂O

二、分子内的氧化-还原反应。

这类反应的方程式的主要问题是，反应物的系数不好确定，化合价升降总数不能正确标出。用“单桥法”标电子转移数容易发生错误。

例如： 升高6价x2

2KClO₃=2KCl+3O₂

降低6价x2

这里化合价升降数都乘以2是因为生成的O₂为双原子分子故而KClO₃应配系数2。但是用单桥法标电子转移时应为:

6e

2KClO₃=2KCl+3O₂

若把电子转移数标作“12e”或“6eX2”都是错误的。因为发生在KClO₃分子内的电子转移数是6,再乘上系数2，说明每2个KClO₃分子中电子转移数为12e。若标作12e后再乘以系数2，则表示每2个KClO3分子中电子转移数为24e了。

又如： 升高2价x6

4Fe(NO₃)₃=2Fe₂O₃+12NO₂+3O₂

降低3价x4

这里Fe(NO₃)₃分子中的3个正五价的氮原子都被还原+5价氮原子都被还原成+4价的NO₂。而其中9个氧原子并未被完全氧化。在配平时氧的化合价变化数不能乘以9个氧原子来考虑。只能按一个原子为基数来考虑，按上式标出化合价的升降总数。即氮的化合价降低数配上乘数4。氧的化合价升高数配上成数6，而Fe(NO₃)₃的系数，只能由完全参与氧化-还原过程的氮的化合价降低总数中的系数“4”来确认。 而氧的化合价升高总数“2价x6”的意义为每4个Fe(NO₃)₃分子中有6个氧原子化合价升高2价。结果生成三个O₂，产物O₂的系数即定为3。每5个Fe(NO₃)₃分子内的电子转移数为

e^-

4Fe(NO₃)₃=2Fe₂O₃+12NO₂+3O₂

这里电子转移数标为3e或12e都是不妥的，

再如：

升高2价x2 e

4HNO₃=2H₂O+4NO₂+O₂ 4HNO₃=2H₂O+4NO₂+O₂

降低1价x4

总之对这类反应注意。

1.对并非完全参与氧化-还原过程的元素确定其化合价变化数时应以一个原子为准。

2.反应物的系数只能由完全参加氧化-还原过程的元素的化合价升降总数中的“乘数”来确定。

3.用“单桥法”标电子转移数时应注意电子转移发生在分子内甚至发生在原子团内。此数与原子团个数、分子的系数的乘积应与元素的化合价变化总数相符。

类似的反应如。

KNO₃—KNO₂+O₂ NH₄

NO₃—N₂+HNO₃+H₂O

Cu(NO₃)₂—CuO+NO₂+O₂

三、岐化反应。

由于在歧化反应中同一元素而且是同一的价态一部分原子被另一部分原子氧化。在未完成方程式前无法确定被氧化和被还原的原子之间的个数比，因此，确定元素的化合价升降数时。双方均应个以一个原子为准。而不考虑分子中该元素原子的具体个数。反应物分子式前的系数，由化合价升高总数和和降低总数中的两个“乘数”之和来确定。

如： 升高5价

3Cl₂+6KOH=5KCl+KClO₃+3H₂O

降低1价5

Cl₂系数3是根据(5+1) 。

类似的反应如:

NO₂+H₂O—HNO₃+NO KClO—KCl+KClO₃

S+KOH—K₂S+K₂SO₃+H₂O

四、特殊类型。

有些氧化-还原反应比较复杂，如有的物质中同一元素有两种不同的价态，而且在分子式中又不易看出;有的方程式是多步反应的综合，其中的氧化剂或还原剂在合并时被削掉了；有的是同时有两种元素被氧化或被还原；有的既有分子之间的氧化-还原反应又有分子内的氧化-还原反应。对于这些类型教学中不应作过多要求。只要给学生指出就可以了。

下面举出几个例子。

1.同一元素，有两种不同价态。

Na₂S₂O₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+S+H₂O+SO₂ Fe₃O₄+4H₂=3Fe+4H₂O

其中Na₂S₂O₃中两个硫原子一个为+6价,一个为-2价,统一看成(6-2)/2=2价硫元素,Fe₃O₄中有两个铁原子显+3价，另一个铁原子为+2价统一看成8/3价。这两个方程式很好配平。困难的是标出化合价升降数及电子转移情况。在中学现阶段这类题没有必要讲的很透。能配平方程式即可。没有必要标出电子转移情况。

2.多步反应中有一部分氧化剂（或还原剂）在总式中被削掉了

如：在方程式中2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO+3H₂ 是无法正确的标出其电子转移关系的。因为该反应中氧化剂是H₂O在方程式合并中一部分H₂O被削掉了。

2Al+6H₂O=2Al(OH)₃+3H₂

+ 2Al(OH)+2NaOH=2NaAlO+4H₂O

2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO+3H₂

3.同时有两种元素被氧化或被还原。

如: 升高24价x3

升高4价x3

3As₂S₃+28HNO₃+4H₂O=9H₂SO₄+6H₃AsO₄+28NO

降低3价x28

点明这里每个As₂S₃分子中总升高（4+24=28）价即可。难的地方是标出电子转移关系。

24e x3

3As₂S₃+28HNO₃+4H₂O=9H₂SO₄+6H₃AsO₄+28NO

4e x3

再如： 升高10价x4

升高1价x4

4 FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂

降低4价x11

这里把FeS₂中的铁看作+2价硫为-1价，每个FeS₂分子化合价升高总数为(1+10=11)价。

反应 FeS+HNO₃ Fe(NO₃)₃+H₂SO₄+NO 亦属于这一类型。

4.氧化-还原关系更复杂的。

例如 升高6价

HgS + O₂ = Hg + SO₂

降低2价

降低4价

该反应的方程式并不难配平，有趣的是两种反应物中O₂是氧化剂，而HgS中Hg是氧化剂S是还原剂。电子转移既发生在分子间又发生在分子内。学生接受起来比较困难。

2e

HgS + O₂ = Hg + SO₂

4e

例2:

升高2价x2

2KMnO₄=K₂MnO₄+MnO₂+O₂

降低1价

降低3价

其电子转移关系是否可以这样表示？

3e

KMnO₄+KMnO₄= K₂MnO₄+MnO₂+O₂

e

例3： 升高2价x2

2AgNO₃=2Ag+2NO₂+O₂

降低1价x2

降低1价x2

电子转移关系为

e

2AgNO₃=2Ag+2NO₂+O₂

E