對(duì)“元素消去法”配平方程式有關(guān)問題的商榷及建議

吳孫富 秦麗 張圣濤

摘要：肯定了“元素消去法”配平氧化還原反應(yīng)方程式的新穎性及其在實(shí)際配平中的應(yīng)用。指出了文獻(xiàn)[1]在配平中隨意認(rèn)定化合價(jià)的錯(cuò)誤并分析了出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因，簡(jiǎn)要說明了有機(jī)物中元素化合價(jià)的確定方法。對(duì)幾例無機(jī)及有機(jī)氧化還原方程式作了配平和解析，在此基礎(chǔ)上完善了“元素消去法”配平氧化還原方程式的基本原理和配平步驟。

關(guān)鍵詞：元素消去法；氧化還原；方程式配平

文章編號(hào)：1005–6629（2016）3–0094–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

研讀了2015年第10期《化學(xué)教學(xué)》中的論文“用元素消去法配平氧化還原反應(yīng)方程式”[1]，認(rèn)為文中提出的“元素消去法”配平氧化還原反應(yīng)方程式的過程簡(jiǎn)捷，思維難度較小，較容易被學(xué)生理解和接受，用于配平一些難度較大的氧化還原反應(yīng)方程式是一種很有創(chuàng)意的新方法。但是該文在用“元素消去法”配平有關(guān)化學(xué)方程式時(shí)所持的化合價(jià)觀點(diǎn)是需要商榷的。作為一種新的配平方法，“元素消去法”配平氧化還原反應(yīng)方程式的消去原理和配平步驟還需要進(jìn)一步完善，配平過程中的部分疑難問題也需要進(jìn)一步闡明。為了使“元素消去法”更好地被廣大師生理解和接受，筆者在此特就“元素消去法”中的化合價(jià)問題、“元素消去法”的消去原理和配平步驟及配平過程中的疑難問題進(jìn)一步分析闡述如下。

1.1 化合價(jià)是科學(xué)結(jié)論，不得隨意主觀認(rèn)定

在配平化學(xué)方程式Na2Sx+NaClO+NaOH→Na2SO4+NaCl+H2O時(shí)，文獻(xiàn)[1]是經(jīng)歷了如下三步消去之后再“配平系數(shù)”、“復(fù)原補(bǔ)全”化學(xué)方程式的。

在第二步消去中，文獻(xiàn)[1]主觀地將ClO-中Cl元素的化合價(jià)看成了-1價(jià)、O元素的化合價(jià)看成了0價(jià)。盡管作者在這種隨意地主觀認(rèn)定下較順利地配平了該化學(xué)方程式，但這是違背科學(xué)實(shí)際的。

通過高中化學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生都知道，化合價(jià)實(shí)際上表示了原子間得失電子的數(shù)目或原子間共用電子對(duì)的數(shù)目。在NaClO中，氧原子從鈉原子那里得到了一個(gè)電子、氧原子與氯原子共用了一對(duì)電子，且氧原子吸引共用電子對(duì)的能力比氯原子強(qiáng)，所以ClO-中的氧原子為-2價(jià)、氯原子為+1價(jià)。因此，將ClO-中Cl元素的化合價(jià)看成-1價(jià)、O元素的化合價(jià)看成0價(jià)是不科學(xué)的做法，應(yīng)該糾正。

文獻(xiàn)[1]之所以主觀認(rèn)定ClO-中氧元素和氯元素的化合價(jià)，是由于作者選錯(cuò)了消去對(duì)象。在選錯(cuò)消去對(duì)象的情況下，又必須將化學(xué)方程式配平，作者就不得不將ClO-中Cl元素的化合價(jià)主觀地看成-1價(jià)、O元素的化合價(jià)主觀地看成0價(jià)。事實(shí)上，在配平化學(xué)方程式Na2Sx+NaClO+NaOH→Na2SO4+NaCl+H2O時(shí)只要進(jìn)行如下兩步消去就可以“配平系數(shù)”、“復(fù)原補(bǔ)全”得到正確的配平的化學(xué)方程式Na2Sx+（3x+1）NaClO+（2x-2）NaOH= xNa2SO4+（3x+1）NaCl+（x-1）H2O。

在這兩步消去中所用的是大家熟知的科學(xué)的化合價(jià)，沒有主觀認(rèn)定的化合價(jià)，這說明正確地選擇消去元素是“元素消去法”配平氧化還原反應(yīng)化學(xué)方程式的重要環(huán)節(jié)。

1.2 有機(jī)物中的化合價(jià)問題

現(xiàn)行的大、中學(xué)化學(xué)教學(xué)所講的化合價(jià)主要是針對(duì)無機(jī)物的，現(xiàn)行化學(xué)教學(xué)一般沒有考慮有機(jī)物中元素的化合價(jià)，而教學(xué)中時(shí)常會(huì)遇到有機(jī)物參加的氧化還原反應(yīng)方程式的配平，所以我們有必要明確一下有機(jī)物中各元素化合價(jià)的確定方法。

在“基團(tuán)化合價(jià)標(biāo)定法配平有機(jī)氧化還原反應(yīng)方程式”[2]中，作者曾經(jīng)對(duì)有機(jī)基團(tuán)中各元素化合價(jià)的確定提出了如下建議：將被氧化的基團(tuán)和氧化生成的相應(yīng)基團(tuán)的化合價(jià)確定為0價(jià)，氫氧等原子的化合價(jià)當(dāng)作+1、-2，據(jù)此分析確定基團(tuán)內(nèi)其他原子的化合價(jià)。如-CH3中碳的化合價(jià)為-3，-COOH中碳的化合價(jià)為+3。參考此建議，對(duì)于某有機(jī)物而言，我們可以將該有機(jī)物分子的化合價(jià)確定為0價(jià)，氫氧原子的化合價(jià)分別當(dāng)作+1、-2，先確定基團(tuán)中非碳原子的化合價(jià)，然后再計(jì)算確定分子中碳原子的平均化合價(jià)。例如，CH3CH2-NO2分子中所含-NO2中氮原子的化合價(jià)為+4，CH3CH2-NO2中碳原子的平均化合價(jià)為-5/2；當(dāng)然，我們也可以說甲基CH3-中碳原子的化合價(jià)為-3，次甲基-CH2-中碳原子的化合價(jià)為-2。對(duì)于有機(jī)物而言，碳原子的化合價(jià)究竟是算平均化合價(jià)還是算各個(gè)基團(tuán)中碳原子的化合價(jià)呢？這要根據(jù)實(shí)際配平時(shí)使用哪種化合價(jià)更方便來確定。

在配平化學(xué)方程式C6H12O6+K2CrO7+H2SO4→K2SO4+Cr2（SO4）3+CO2↑+H2O時(shí)，文獻(xiàn)[1]沒有說明C6H12O6中各元素化合價(jià)的確定方法，但作者所確定的C6H12O6中的碳元素的化合價(jià)與用上述方法確定的C6H12O6中的碳元素的化合價(jià)是相同的。

2.1 “元素消去法”配平例析

為了較準(zhǔn)確地說明“元素消去法”的消去原理和配平步驟，筆者先在此較為詳細(xì)地解析幾個(gè)氧化還原反應(yīng)方程式的配平。

例1 配平Fe3C+HNO3（濃）→Fe（NO3）3+NO2↑+CO2↑+H2O

解析：此化學(xué)方程式的特點(diǎn)是將Fe3C中的鐵元素看成+3價(jià)時(shí)，氧化劑HNO3被還原成了NO2，還原劑Fe3C被氧化成了CO2。用“元素消去法”配平此類化學(xué)方程式時(shí)需經(jīng)歷如下三個(gè)步驟。

①消去所有價(jià)態(tài)未發(fā)生變化的元素得

C9-+N5+→N4++C4+

②配平原子數(shù)和電荷數(shù)得

C9-+13N5+=13N4++C4+

③復(fù)原補(bǔ)全得配平的化學(xué)方程式

Fe3C+22HNO3（濃）=3Fe（NO3）3+13NO2↑+ CO2↑+11H2O

例2 配平P4+P2I4+H2O→PH4I+H3PO4

解析：此化學(xué)方程式有兩個(gè)特點(diǎn)，一是反應(yīng)物和產(chǎn)物各有兩種含磷（一為單質(zhì)）物質(zhì)，且四種含磷物質(zhì)中磷元素的化合價(jià)互不相同；二是產(chǎn)物PH4I和H3PO4都含有氫元素。此類化學(xué)方程式的配平一般要經(jīng)歷如下四個(gè)步驟。

①消去價(jià)態(tài)未發(fā)生變化且系數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)單的元素碘得

P4+P+H2O→PH+H3PO4

②分析確定PH4I和H3PO4的最簡(jiǎn)比例以便消去氫氧兩種元素。由于PH4I和H3PO4中的氫氧元素均來源于H2O，所以二者的比例受限于H2O的組成。又由于H3PO4可看成是H5PO5脫去一個(gè)水分子后生成的，所以將H3PO4改寫成H5PO5進(jìn)行討論。PH4I和H5PO5的比例為5：4時(shí)，二者所含氫氧元素的比例剛好滿足水的組成關(guān)系，按PH4I和H5PO5的比例5：4消去元素氫和氧得

P4+P2

4+→5P3-+4P5+

②配平原子數(shù)和電荷數(shù)得

13P4+10P24+=40P3-+32P5+

④復(fù)原補(bǔ)全得配平的化學(xué)方程式

13P4+10P2I4+128H2O=40PH4I+32H3PO4

例3 配平RuS2+KClO3+HCl→RuO4+RuCl3+ H2S↑+S+KCl

解析：此化學(xué)方程式有兩個(gè)特點(diǎn)，一是反應(yīng)物KClO3和產(chǎn)物KCl含有相同的組成KCl，且鉀元素只存在于這兩種物質(zhì)中，二者必有相同的系數(shù)；二是消去KClO3和KCl后，產(chǎn)物RuCl3和H2S中的氫氯元素均來源于HCl，消去氫氯元素時(shí)應(yīng)考慮RuCl3和H2S的比例。此類化學(xué)方程式的配平一般要經(jīng)歷如下五個(gè)步驟。

①消去相同的組成KCl得

RuS2+O3+HCl→RuO4+RuCl3+H2S+S

②消去價(jià)態(tài)未發(fā)生變化且系數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)單的元素氧并由氧原子的比例得

RuS2+HCl→3Ru+RuCl3+H2S+S

③按比例消去氫氯元素，并將+3價(jià)的Ru與-2價(jià)的S合并得

RuS2→3Ru+Ru2S3+S

④由原子守恒配平系數(shù)得

5RuS2=3Ru+Ru2S3+7S

⑤復(fù)原補(bǔ)全得配平的化學(xué)方程式

5RuS2+4KClO3+6HCl=3RuO4+2RuCl3+3H2S↑+7S+4KCl

需要特別注意的是：此化學(xué)方程式在消去配平的過程中沒有標(biāo)明原子或原子團(tuán)所帶的電荷。之所以不標(biāo)電荷，是由于消去KCl時(shí)消去了價(jià)態(tài)發(fā)生了變化的氯元素，配平最簡(jiǎn)關(guān)系式的系數(shù)時(shí)只考慮原子守恒、不考慮電荷守恒與電子守恒。

例4 配平C6H5-CH2CH3+KMnO4+H2SO4→C6H5-COOH+CO2↑+MnSO4+K2SO4+H2O

解析：這是一道有機(jī)氧化還原反應(yīng)方程式，其中的有機(jī)物C6H5-CH2CH3只是部分被氧化，且被氧化部分-CH2CH3的兩個(gè)碳原子及產(chǎn)物-COOH和CO2中的兩個(gè)碳原子的化合價(jià)互不相同。由于C6H5-CH2CH3、C6H5-COOH和CO2的系數(shù)必定相同，所以反應(yīng)物中被氧化的碳原子及生成物中的碳原子均用基團(tuán)中碳原子的平均化合價(jià)（-COOH與CO2合并計(jì)算）進(jìn)行消去配平。

①消去有機(jī)物未被氧化的基團(tuán)C6H5-得-CH2CH3+KMnO4+H2SO4→-COOH+CO2+ MnSO4+K2SO4+H2O

②消去所有價(jià)態(tài)未變化的元素得

2C2.5-+Mn7+→2C3.5++Mn2+

③原子守恒和電荷守恒得

5×2C2.5-+12Mn7+=5×2C3.5++12Mn2+

④復(fù)原補(bǔ)全得配平的化學(xué)方程式

5C6H5-CH2CH3+12KMnO4+18H2SO4= 5C6H5-COOH+5CO2↑+12MnSO4+6K2SO4+28H2O

2.2 “元素消去法”的消去原理

從上述各個(gè)配平實(shí)例來看，“元素消去法”同其他配平方法一樣，其所遵循的基本原理仍然是原子守恒、電子守恒和電荷守恒，我們?cè)诖诵枰M(jìn)一步明確的是“元素消去法”的消去原理。

“元素消去法”源于平面幾何中消點(diǎn)法的靈感啟示，受消點(diǎn)法的啟示，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為：化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是原子的重新組合，而氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是得失電子，倘若將反應(yīng)物、生成物拆分成多個(gè)微粒，將沒有得失電子的微粒消去，整個(gè)方程式就被簡(jiǎn)化了。在此觀點(diǎn)的指導(dǎo)下，文獻(xiàn)[1]通過對(duì)氧化還原反應(yīng)方程式的配平嘗試提出了配平氧化還原反應(yīng)方程式的“元素消去法”。我們贊同作者的這些觀點(diǎn)。

通過對(duì)“元素消去法”進(jìn)一步研究，我們認(rèn)為提出“元素消去法”配平化學(xué)方程式的基本出發(fā)點(diǎn)是：消去化簡(jiǎn)化學(xué)方程式，以便于觀察配平系數(shù)關(guān)系較復(fù)雜的元素的系數(shù)。“元素消去法”的關(guān)鍵是消去哪些元素？毫無疑問，“沒有得失電子的微粒”是可以消去的，之所以可以消去“沒有得失電子的微粒”，是由于沒有得失電子的微粒在反應(yīng)前后的系數(shù)關(guān)系一般比較簡(jiǎn)單。可不可以消去某些得失電子的微粒呢？當(dāng)然可以。在配平化學(xué)方程式例3時(shí)，我們就消去了反應(yīng)物KClO3中的KCl和產(chǎn)物KCl，可以這樣消去的理由是反應(yīng)物和產(chǎn)物均只有一種物質(zhì)含鉀元素，KClO3和KCl的系數(shù)必定相等，我們把這種消去稱為消去化學(xué)式中組成相同的部分。在配平有機(jī)氧化還原反應(yīng)方程式例4時(shí)，消去了C6H5-CH2CH3和C6H5-COOH中未參加反應(yīng)的基團(tuán)C6H5-。有機(jī)物中未參加反應(yīng)的基團(tuán)也屬于化學(xué)式中相同組成的部分。

概括起來說，“元素消去法”可以消去三類微粒，一是在反應(yīng)中沒有得失電子的微粒，二是某些得失了電子、但在化學(xué)式中具有相同組成且反應(yīng)物與生成物的系數(shù)必定相等的微粒，三是有機(jī)物分子中沒有參加反應(yīng)的基團(tuán)。之所以可以消去這些微粒，是由于這些微粒間的系數(shù)關(guān)系比較簡(jiǎn)單，消去后可以比較簡(jiǎn)單地復(fù)原；之所以需要消去這些微粒，是為了簡(jiǎn)化氧化還原方式中反應(yīng)物與生成物的關(guān)系，便于觀察配平那些系數(shù)關(guān)系較復(fù)雜的元素的系數(shù)。

2.3 “元素消去法”的配平步驟

文獻(xiàn)[1]介紹的“元素消去法”的配平步驟是三步，就上述配平實(shí)例的配平實(shí)際來看，“元素消去法”的配平步驟可作進(jìn)一步完善，大致可分為如下六步。

①觀察分析，一是分析反應(yīng)物和生成物中有沒有相同組成的部分，二是分析反應(yīng)物與生成物中價(jià)態(tài)未變化的元素組成的物質(zhì)之間有沒有元素交叉的現(xiàn)象，如例2、例3。

②消去反應(yīng)物與生成物中相同組成的部分。

③消去價(jià)態(tài)未變化且在物質(zhì)組成上沒有發(fā)生交叉現(xiàn)象的元素。