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用“拆分法”配平氧化还原反应方程式

2014-05-20 12:25阅读：

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用“拆分法”配平氧化还原反应方程式

陈 秀 茹

摘要： “拆分法” 配平氧化还原反应方程式分为三步：第一步：根据质量守恒定律，以及反应物和生成物之间的联系，将氧化还原反应恰到好处的分解成两个半反应。第二步：用观察法配平配平两个半反应，同时找到平衡原子，用平衡原子配平平衡原子，得到配平的半反应。第三步：用最小公倍数法消去平衡原子，即可实现配平。
关键词：拆分、两个合适的半反应、观察法、平衡原子
氧化还原反应方程式的配平是高考的一个热点，也是中学化学的一个难点。氧化还原反应方程式的配平方法多种多样，但其最基本的方法是化合价升降法。有些氧化还原反应方程式，运用化合价升降法难以处理，于是笔者尝试采用一种新的思想方法来进行配平。有机化学中氧化反应和还原反应是分开来定义的，有机物得到氧（或失去氢）的反应叫氧化反应，有机物失去氧（或得到氢）的反应叫还原反应。电化学中氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，两个不同区域进行的反应通过电子联系起来，将两个不同区域进行的反应适当的相加，消去电子得到电池反应总方程式或电解反应方程式。受此启示，笔者设想，将有机物中氧化还原反应的概念和电化学的思想迁移到氧化还原反应方程式的配平中。于是便对好多题目尝试进行解答，结果摸索出一种适合于氧化还原反应方程式配平的新方法— “拆分法”。该方法是另辟蹊径，将氧化还原反应拆分成两个合适的半反应，分别用观察法配平这两个半反应，同时会发现其中一个半反应失去某原子
，另一个半反应得到某原子，将此原子叫做平衡原子，平衡原子就是联系这两个半反应的桥梁，然后，将两个半反应进行适当的加和消去平衡原子，便得到配平的氧化还原反应方程式。下面结合实例说明该方法的使用。
1 “拆分法”的实施步骤
1.1 将氧化还原反应拆分成两个合适的半反应
将氧化还原反应拆分成两个合适的半反应，是用“拆分法”配平氧化还原反应方程式的关键性步骤，其方法是：根据质量守恒定律，以及反应物和生成物之间的联系，将氧化还原反应恰到好处的分解成两个半反应。如配平FeS2 + O2 — SO2 + Fe2O3，可以将产物SO2 、Fe2O3看作是由FeS2反应生成的，构成一个半反应，也可以将产物SO2 、Fe2O3看作是由FeS2和O2反应生成的，构成另一个半反应。得到如下两个半反应：
FeS2 — SO2 + Fe2O3 ①
FeS2 + O2 — SO2 + Fe2O3 ②
1.2 配平两个半反应同时找到平衡原子
配平两个半反应采用最基本的观察法，观察反应①，假定Fe2O3的化学计量数为1，则FeS2、SO2的化学计量数分别为2、4，此时很容易发现反应物比生成物少了11个氧原子；观察反应②，假定Fe2O3的化学计量数为1，则FeS2、SO2、O2的化学计量数分别2、4、6，此时很容易发现反应物比生成物少了1个氧原子。氧原子就是这两个半反应的平衡原子，用氧原子配平氧原子，这样可得到两个配平的半反应：
2FeS2+11O — 4SO2 + Fe2O3 ③
2FeS2 +6O2－O — 4SO2 + Fe2O3 ④
1.3 消去两个半反应中的平衡原子
由这两个配平的半反应，再联系电极反应方程式，发现氧原子象电极反应中的电子，将两个半反应联系起来，即氧原子是联系这两个半反应的桥梁，也就是说氧原子是这两个半反应的平衡原子，消去平衡原子就像取掉电极反应中的电子得到电池反应方程式或电解反应方程式一样，会得到配平的氧化还原方程式。消去平衡原子用最小公倍数法使两个半反应中的平衡原子的化学计量数相等，将两个半反应相加，即可消去平衡原子，实现氧化还原反应方程式的配平。将反应③×1，反应④×11后，两式相加，可消去氧原子，两边同除以6，得到配平的化学方程式：
4FeS2 + 11O2=8SO2 + 2Fe2O3
2 “拆分法”的应用举例
“拆分法”可以配平任何类型的氧化还原反应，尤其适合比较复杂的氧化还原反应方程式的配平。用“拆分法”配平氧化还原反应方程式可以不计算化合价的升降，即可实现配平，对于某些化合价难以确定以及带有未知数的氧化还原反应方程式，采用“拆分法”配平与化合价升降法比较具有更明显的优势。另外“拆分法”还可以预测某些可能发生的反应。下面从分子方程式、离子方程式、带有未知数的化学方程式、有机化学方程式的配平以及预测某些可能发生的反应等方面加以说明。
2.1 分子方程式的配平
例1、配平Fe3P+HNO3 — Fe(NO3)3+NO+H3PO4+H2O(Fe3P中各元素的化合价难以确定)
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
Fe3P+HNO3 —Fe(NO3)3+H3PO4+H2O
HNO3 —NO+H2O
第二步：用观察法配平配平两个半反应，同时找到平衡原子为氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
Fe3P+9HNO3 +7O—3Fe(NO3)3+H3PO4+3H2O
2HNO3 －3O—2NO+H2O
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式为：
3Fe3P+41HNO3 =9Fe(NO3)3+14NO↑+3H3PO4+16H2O
2.2 离子方程式的配平
离子方程式的配平往往和反应所处的酸碱环境有关。在酸性环境中，可以用H+平衡电荷，在碱性环境中，可以用OH -平衡电荷。其它配平步骤与分子方程式类似。
例2、配平Cu2+ + I - — CuI↓ + I2
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
Cu2+ + I - — CuI
I - — I2
第二步：用H+平衡电荷，用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子为氢原子，用氢原子配平氢原子，得到配平的两个半反应：
Cu2+ + I - + H — CuI + H+
2I - + 2H+ －2H — I2
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氢原子，即可实现配平。配平后的离子方程式为：
2Cu2+ + 4I - ＝ 2CuI↓ + I2
例3、在酸性环境中配平Fe3C+Cr2O72- —Fe3++Cr3++CO2（Fe3C中各元素的化合价难以确定）
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
Fe3C —Fe3++CO2
Cr2O72- — Cr3+
第二步：用H+平衡电荷，用H2O配平H原子，用观察法配两个半反应，同时找到平衡原子为氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
Fe3C+9H++6.5O—3Fe3++CO2+4.5H2O
Cr2O72-+8H+ －3O—2Cr3++4H2O
第三步：将两个半反应适当的相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的离子方程式为：
6Fe3C+13Cr2O72-+158H+ =18Fe3++26Cr3++6CO2+79H2O
例4、写出FeCl3与KClO在碱性条件下反应制取K2FeO4的离子方程式
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
Fe3+—FeO42-
ClO- — Cl-（+1价的氯被还原只能变成-1价或0价的氯，0价的氯在碱性条件下不能存在）
第二步：用OH-平衡电荷，用H2O配平H原子，用观察法配平两个半反应同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
Fe3++5OH-+1.5O—FeO42-+2.5H2O
ClO-－O—Cl-
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的离子方程式为：
2Fe3++3ClO-+10OH-=2FeO42-+ 3Cl-+5H2O
2.3 带有未知数的化学方程式的配平
带有未知数的氧化还原反应方程式，是化学方程式配平的一个难点，运用化合价升降法法进行配平，涉及到化合价计算的问题，且计算出来的化合价仍然带有未知数，增加了配平的难度。若采用“拆分法”，可以避免化合价的计算，使氧化还原方程式的配平变得比较简单，从而达到快速配平的目的。
例5、配平K2Ox+FeSO4 +H2SO4—K2SO4+Fe2(SO4)3+H2O
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
K2Ox +H2SO4—K2SO4+H2O
FeSO4 +H2SO4—Fe2(SO4)3+H2O
第二步：用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
K2Ox +H2SO4－(x-1)O—K2SO4+H2O
2FeSO4 +H2SO4+O—Fe2(SO4)3 +H2O
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式为：
K2Ox+(2x-2)FeSO4 +xH2SO4=K2SO4+(x-1)Fe2(SO4)3 +xH2O
2.4 有机化学方程式的配平
有机氧化还原方程式，运用化合价升降法进行配平，通常用两种方法计算化合价，一是利用平均价态法计算反应前后碳元素的平均价态的变化，二是只计算发生变化部分碳元素在反应前后的价态变化，这种方法计算碳元素价态的比较复杂，学生难以理解，若采用拆分法，则不需要计算化合价，从而化繁为简，快速配平。
例6、配平KMnO4+H2C2O4 +H2SO4—K2SO4+MnSO4+CO2+H2O
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
KMnO4 +H2SO4—K2SO4+MnSO4+H2O
H2C2O4—CO2+H2O
第二步：用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
2KMnO4 +3H2SO4－5O—K2SO4+2MnSO4 +3H2O
H2C2O4+O—2CO2 +H2O
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式为：
2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4＝K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
例7、配平CH3CHO+[Ag(NH3)2]++OH-—CH3COO-+Ag+NH4++NH3+H2O
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
CH3CHO—CH3COO- ①
[Ag(NH3)2]＋+OH-—Ag+NH4＋+NH3+H2O ②
第二步：用OH-平衡电荷，用H2O配平H原子，用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
CH3CHO+OH-+O—CH3COO-+H2O
2[Ag(NH3)2]＋+OH-－O—2Ag+NH4++3NH3
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的离子方程式为：
CH3CHO+2[Ag(NH3)2]++2OH-＝CH3COO-+2Ag↓+NH4++3NH3+H2O
2.5 配平可能发生的反应及有多组化学计量数的反应
若反应只给出一种生成物，利用“拆分法”可以预测其可能的生成物。 “拆分法”配平氧化还原反应关键性的一步是将氧化还原反应拆分成两个合适的半反应，拆分时要考虑反应物和生成物之间的关系，此时很容易想到某反应物的生成物可能是什么，这样有利于预测可能发生的反应。
同一元素的原子在一个半反应中产物的化合价有两种以上，且个产物所占的比例无法知道，配平出来的化学计量数将有无数种。此时，如果用化合价升降法进行配平，化合价的改变值是一定值，若要得到多种化学计量数，学生难以接受。但采用“拆分法”进行配平，则容易得出多种化学计量数，学生也容易接受。
例8、写出工业上利用天然气（主要成分CH4）与CO2进行高温重整制备CO的化学方程式
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应。
由质量守恒定律，以及反应物和生成物之间的联系可知：CH4中的碳元素转变为CO，氢元素可转变为H2；H2O（H2O2在高温时不存在）；还可以同时转变为H2、H2O。故得到如下三组半反应：①②一组，③④一组，⑤⑥一组
CH4 — CO + H2O ①
CO2 — CO ②
CH4—CO + H2 ③
CO2 — CO ④
CH4 — CO + H2 + H2O ⑤
CO2 — CO ⑥
第二步：用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
CH4 +3O— CO + 2H2O
CO2 －O— CO
CH4 + O— CO + 2H2
CO2 －O— CO
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式分别为：
CH4 + 3CO2=4CO + 2H2O
CH4 + CO2=2CO + 2H2
半反应⑤中氢元素有两种价态，且H2和H2O在生成物中所占的比例无法知道，故此组半反应配平后的化学计量数有无数种。
CO2 －O— CO
CH4+2O—CO+H2+H2O（CH4中的氢元素1/2转变为H2、1/2转变为H2O）
2CH4+5O—2CO+H2+3H2O（CH4中的氢元素1/4转变为H2、3/4转变为H2O）
2CH4+3O—2CO+3H2+H2O（CH4中的氢元素3/4转变为H2、1/4转变为H2O）
……
将半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式分别为：
CH4 + 2CO2=3CO + H2 + H2O
2CH4 + 5CO2=7CO + H2 + 3H2O
2CH4 + 3CO2=5CO + 3H2 + H2O
……
由此可知CH4与CO2进行高温重整生成物有三种可能的情况：CO和H2；CO和H2O ；CO、 H2和H2O。化学方程式有无数种。
例9、配平KMnO4+FeS+H2SO4—K2SO4+MnSO4+Fe2(SO4)3+S+H2O
第一步：将该反应拆分成两个合适的半反应
KMnO4 +H2SO4—K2SO4+MnSO4+H2O
FeS+H2SO4—Fe2(SO4)3+S+H2O
第二步：用观察法配平两个半反应，同时找到平衡原子氧原子，用氧原子配平氧原子，得到配平的半反应：
2KMnO4 +3H2SO4－5O→K2SO4+2MnSO4+3H2O
2FeS+3H2SO4+3O—Fe2(SO4)3+2S+3H2O (FeS中的硫元素全部转变成S)
2FeS+2H2SO4+6O—Fe2(SO4)3+S+2H2O (FeS中的硫元素1/2转变成S, 1/2转变成SO42-)
4FeS+3H2SO4+15O—2Fe2(SO4)3+S+3H2O (FeS中的硫元素1/4转变成S, 3/4转变成SO42-)
……
第三步：将两个半反应适当相加，消去平衡原子氧原子，即可实现配平。配平后的方程式为：
6KMnO4+10FeS+24H2SO4＝3K2SO4+6MnSO4+5Fe2(SO4)3+10S+24H2O
12KMnO4+10FeS+28H2SO4＝6K2SO4+12MnSO4+5Fe2(SO4)3+5S+28H2O
6KMnO4+4FeS+12H2SO4＝3K2SO4+6MnSO4+2Fe2(SO4)3+S+12H2O
……
由此可知该反应有无数组化学计量数。
从上面的几个例题，我们不难看出“拆分法”的配平程序十分清楚，“拆分法”的关键是拆分，即将氧化还原反应拆分成两个合适的半反应，其依据是质量守恒定律，同时还要理顺反应物和生成物之间的关系，列出半反应，利用观察法就能马上配平氧化还原反应方程式，有利于学生的学习和掌握。
“拆分法”的适用范围非常广泛，对简单的氧化还原反应方程式的配平可直接使用观察法，因为，“拆分法”是以观察法为基础的配平方法，将复杂的氧化还原反应方程式拆分为两个较简单的半反应，其目的就是有助于运用观察法进行配平，并以平衡原子为纽带重新组合成配平的原方程式。
在氧化还原反应方程式的配平中，只要严格按照“拆分法“的解题步骤勤加练习，灵活运用，熟练掌握，定能实现氧化还原化学方程式配平的新突破。


参考文献：人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教材研究中心 化学反应原理[M] 人民教育出版社2007年2月第3版 74—78

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