“電荷守恒”的妙用

摘 要：化學中的多種守恒關系，幾乎都是高考中的熱點。在電解質的電離和鹽類的水解這兩部分知識中，有兩種守恒關系經常被用到：電荷守恒和物料守恒。在這里首先認識電荷守恒的相關知識，簡單介紹根據電荷守恒判斷反應物和生成物、配平離子反應方程式、書寫并配平電極反應式以及溶液中離子濃度的相對大小的應用。

關鍵詞：電荷守恒；離子方程式；電極反應式；離子濃度

所謂電荷守恒關系，就是在任何電解質溶液中陰陽離子濃度間的一個等式關系。電荷守恒主要表現在以下幾個方面：

1.離子反應方程式中的電荷守恒：反應物所帶的電荷總數等于生成物所帶的電荷總數。

2.溶液呈電中性：所有陽離子所帶正電荷總數等于陰離子所帶負電荷總數。

一、離子反應方程式中的電荷守恒

1.用電荷守恒判斷反應物或生成物

例1.利用變化是加強酸（H+）還是加強堿（OH-）來實現：

（1）使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-

（2）使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+

分析：（1）中使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-，從電荷看由+3價變成了0價或-1價，所以加強堿（OH-）來實現，且分別加3個和4個OH-。

離子反應方程式為：Al3++3OH-=Al（OH）3 Al3++4OH-=AlO2-+2H2O

（2）中使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+，從電荷看由-1價變成了0價或+3價，所以加強酸（H+）來實現，且分別加1個和4個H+。

離子反應方程式為：AlO2-+H++H2O=Al（OH）3 AlO2-+4H+=Al3++2H2O

例2.HCO3-分別和強酸（H+）、強堿（OH-）反應的產物是什么？

分析：HCO3-和強酸（H+）反應電荷數一正一負，所以產物生成0價的可能性更大。離子反應方程式為：HCO3-+H+=CO2↑+H2O

HCO3-和強堿（OH-）反應電荷數為-2，則生成物中必有負電荷數的物質CO32-，不可能都生成電荷數為0的CO2和H2O。

離子反應方程式為：HCO3-+OH-=CO32-+H2O

2.用電荷守恒配平離子反應方程式

例3.KMnO4溶液分別在酸性和堿性條件下氧化H2O2

分析：（1）用得失電子守恒配平：

2MnO4-+5H2O2——2Mn2++5O2↑（酸性）

2MnO4-+3H2O2——2MnO2+3O2↑（堿性）

（2）酸性溶液時反應式兩邊補加H+和H2O，反應物電荷數為-2，生成物電荷數為+4，所以應在反應物加6H+，再根據質量守恒，確定H2O的系數。

離子反應方程式為：2MnO4-+5H2O2+6H+=2Mn2++5O2↑+8H2O

（3）堿性溶液時反應式兩邊補加OH-和H2O，反應物電荷數為-2，生成物電荷數為0，所以應在生成物加2OH-，再根據質量守恒，確定H2O的系數。

離子反應方程式為：2MnO4-+3H2O2=2MnO2+3O2↑+2OH-+2H2O

3.用電荷守恒配平電極反應式

例4.甲烷燃料電池在不同介質中的電極反應式

（1）堿性介質（OH-和H2O）下的甲烷燃料電池

根據得失電子守恒：

負極：CH4-8e-——CO32-根據電荷守恒：左邊電荷數為+8，右邊電荷數為-2，所以左邊應補充10OH-

正極：2O2+8e-——根據電荷守恒：左邊電荷數為-8，右邊應補充8OH-

所以電極反應式為：

負極：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O

正極：2O2+8e-+4H2O=8OH-

（2）酸性介質（H+和H2O）下的甲烷燃料電池

根據得失電子守恒：

負極：CH4-8e-——CO2根據電荷守恒右邊應補充8H+

正極：2O2+8e-——根據電荷守恒左邊應補充8H+

所以電極反應式為：

負極：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

正極：2O2+8e-+8H+=4H2O

（3）熔融碳酸鹽介質（CO32-和CO2）下的甲烷燃料電池

根據得失電子守恒：

負極：CH4-8e-——CO2根據電荷守恒左邊應補充4CO32-

正極：2O2+8e-——根據電荷守恒右邊應補充4CO32-

所以電極反應式為：

負極：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O

正極：2O2+8e-+4CO2=4CO32-

（4）熔融金屬氧化物介質（O2-）下的甲烷燃料電池

根據得失電子守恒：

負極：CH4-8e-——CO2根據電荷守恒左邊應補充4O2-

正極：2O2+8e-——根據電荷守恒右邊應補充4O2-

所以電極反應式為：

負極：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O

正極：2O2+8e-=4O2-

4.用電荷守恒判斷陰、陽離子的運動方向和正、負電極附近的酸堿性

例5.Mg-H2O2電池可用于驅動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質溶液，示意圖如下。該電池工作時，下列說法正確的是

A.Mg電極是該電池的正極

B.H2O2在石墨電極上發生氧化反應

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動

分析：活動金屬（Mg）或燃料（H2、CH4等）做電源的負極，失去電子被氧化，發生氧化反應。不活動金屬、非金屬（石墨等）做電源的正極，得到電子被還原，發生還原反應。

題中A選項錯，Mg電極是該電池的負極；B選項錯，H2O2在石墨電極上發生還原反應。

電子是由電源的負極流向正極，從電荷來看，負極由于電子流出負電荷減少，正極的負電荷增多。如果是電解質的水溶液，當正極（氧化劑有氧元素參與反應）負電荷增多時表現在帶負電荷的OH-增多，即pH增大，同樣，負極的pH減小。

題中C選項正確，石墨電極（正極）附近溶液的pH增大。

但電荷總是守恒的，為了平衡電荷數，電解質溶液中陽離子應向負電荷多的正極移動，陰離子向負電荷少的負極移動。

即：從負極看，流出帶一個負電荷的電子，就應流入帶一個負電荷的陰離子或也流出帶一個正電荷的陽離子；從正極看，流入帶一個負電荷的電子，就應流出帶一個負電荷的陰離子或也流入帶一個正電荷的陽離子。

題中的D選項錯，溶液中Cl-應向負極移動。

二、溶液呈電中性

溶液中的電荷守恒是指溶液中所有陽離子所帶的正電荷總數與所有陰離子所帶的負電荷總數相等。

例6.寫出含有c（Na+）、c（CH3COO-）溶液中的電荷守恒和微粒濃度相對大小。

根據電荷守恒：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）

再根據電荷守恒和物質濃度大小判斷微粒濃度相對大小。

c（CH3COO-）>c（Na+）>c（OH-）>c（H+）我們稱為”-，+，-，+”

c（Na+）>c（CH3COO-）>c（H+）>c（OH-）我們稱為”+，-，+，-”

類似“-，+，-，+”、“+，-，+，-”離子濃度相對大小的關系式，不符合電荷守恒，故不成立。

而類似“+，-，-，+”、“-，+，+，-”離子濃度相對大小的關系式，符合電荷守恒，能成立。如：

c（Na+）>c（OH-）>c（CH3COO-）>c（H+）

（Na+）>c（CH3COO-）>c（OH-）>c（H+）

c（CH3COO-）>c（Na+）>c（H+）>c（OH-）

c（CH3COO-）>c（H+）>（Na+）>c（OH-）

如何比較相對大小，可用以下方法：

（1）對于一個單一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COOH溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等體積混合溶液），當溶液呈酸性時，離子濃度最小的是c（OH-），根據電荷守恒，則離子濃度最大的是c（CH3COO-）。對于c（Na+）、c（H+）的相對大小，常規c（Na+）>c（H+）（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等體積混合溶液），但當CH3COONa的濃度相當小時，也有c（H+）>（Na+）的情況發生。

（2）對于一個單一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COONa溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1NaOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa混合溶液），當溶液呈堿性時，離子濃度最小的是c（H+），根據電荷守恒，則離子濃度最大的是c（Na+）。對于c（CH3COO-）、c（OH-）的相對大小，如是CH3COONa溶液，則有c（CH3COO-）>c（OH-）；如是 NaOH溶液和CH3COONa混合溶液，則也有可能c（OH-）>c（CH3COO-）。

參考文獻：

張曉華.巧用“電荷守恒法”解化學計算題[J].遼寧師專學報：自然科學版，2013（2）.

編輯 楊國蓉