電子守恒法在配平復雜有機化學反應方程式中的應用

2019-11-19 01:49:22崔文輝賈如琰聶龍英

山東化工 2019年20期

崔文輝,賈如琰，聶龍英

(隴南師范高等專科學校農林技術學院，甘肅成縣 742500)

在任何一個氧化還原反應中，氧化劑得到的電子均來自還原劑所失去的電子，且得失數目必然相等，這就是電子守恒定律。在配平時，通過分析元素化合價的變化很容易確定還原劑和氧化劑及其電子得失的數目，當使得氧化劑和還原劑電子得失數目相等時，其相應的化學式前面的計量系數已經確定。其余分子式前面的計量系數再通過相關元素原子的數目守恒原理，經過簡單計算而確定。

在基礎有機化學的教學內容中，與無機化學相比，需要嚴格配平的化學反應方程式數量相對非常少，"配平問題"通常也不是教學的重點。但是，也有個別幾個有機化學反應方程式[1]，僅用觀察法不容易嘗試出正確的結果，配平后分子式前化學計量系數并不簡單，這些數字非常直觀的折射出配平問題的復雜性。如圖1所示乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色的反應[1]，以及實驗室用金屬錫加鹽酸還原硝基苯制取少量苯胺的反應等[2]。應用電子守恒法配平氧化還原化學反應方程式時，首先要分析元素化合價變化，在有機化學反應中，其中最為常見的是對C、N兩種元素的化合價的確定問題，由于這兩種元素在不同的有機化合物中化合價是不同的，需要對相關有機化合物分子結構信息進行分析。對于有機化合物分子結構而言，初學者因剛接觸這方面的知識，經驗不足而普遍感到困難，客觀上需要在課堂上給予分析講解。本文利用氧化還原反應中電子守恒原理，專門對2個有機化學反應方程式進行配平，從而進一步揭示和呈現電子守恒法在配平有機氧化還原反應方程式中獨特的優勢。

圖1 化學計量系數比較大的有機化學反應方程式

1 分析反應式中各元素化合價，找出還原劑和氧化劑

也許是由于乙烯與酸性高錳酸鉀反應方程式的產物的復雜性和配平的難度，在許多的大學有機化學教材中都沒有給出乙烯與酸性高錳酸鉀的反應方程式。學生只有通過查找資料才能寫出相關反應方程式。

示例1：對于乙烯與酸性高錳酸鉀反應方程式而言，通過分析反應式中各元素化合價，很容易發現C和Mn兩種元素反應前后有變化，分別是還原劑和氧化劑。如圖2中(1)～(3)式所示。

圖2 元素化合價變化關系

乙烯分子中碳元素化合價分析：

在乙烯分子中每個C原子結合2個H原子，由于C元素電負性比H元素的大，C、H原子間共用電子對偏向于C原子，故認為H元素顯正價，C元素顯負價。此外，乙烯分子中2個C原子以雙鍵相互鍵合，由于是同種元素之間成鍵，可認為相當于單質，化合價當作零對待。這樣計算C元素化合價的代數和得出其在乙烯分子中的表觀化合價為-2價，如圖3中的(4)～(5)式所示。

圖3 乙烯分子中碳元素化合價分析

2 分析反應中單個原子反應前后電子得失數目

接下來分析C,Mn兩種元素單個原子反應前后電子得失數目，如圖4中的(6)、(7)式所示：

圖4 反應中相關原子電子得失數目

3 根據一個分子組成中實際所含相關元素原子的數目，分別計算出反應中得與失電子的總數，在使電子得失數目相等時確定了氧化劑和還原劑分子式前系數

在考慮到一個分子組成中實際所含相關元素(C,Mn)原子的數目的前提下，分別計算出得與失電子的總數，并根據電子守恒原理，通過最小公倍數的方法求得還原劑和氧化劑所需各自的原子的個數，進而得到相應分子式前系數。如圖5中的(8)式所示，在反應中電子轉移總數為60的前提下，需要5個乙烯分子和12個高錳酸鉀分子參與反應。

圖5 氧化劑和還原劑分子式前計量系數的確定

4 用觀察法配平其它元素原子個數

圖6 觀察法配平其他元素(Mn、K、S、H)原子個數

示例2：實驗室制取少量苯胺常用錫加鹽酸還原硝基苯的反應。

要理解該方程式的配平，首先需了解硝基的結構及其中氮元素的化合價，硝基化合物結構式如圖7所示。

圖7 硝基化合物分子結構式的常見兩種寫法

硝基化合物和苯胺分子中N元素化合價如圖8所示，雖然N原子與2個O原子之間以一個雙鍵和1個單鍵結合，但由于N-O單鍵是以N原子一方單獨提供2個電子與氧原子空軌道配位而成的，故，共有4個電子偏離N原子而呈現+4價。同時，N原子與C原子結合的單鍵之中，電子對是偏向N原子的，而呈現-1價，綜合考慮后計算N元素化合價的代數和是+3價。