拆分法解決氧化還原問題

浙江 劉忠英

氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)核心理論知識(shí)，是充分學(xué)習(xí)元素及其化合物性質(zhì)等知識(shí)的基礎(chǔ)，也是分析電化學(xué)問題的重要手段，成了各地高考中高頻出現(xiàn)的考點(diǎn)。但學(xué)生還是常考常錯(cuò)，其根本原因在哪里？筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：若能把氧化還原反應(yīng)“拆分”為有價(jià)態(tài)變化的主體反應(yīng)和介質(zhì)中的物質(zhì)參與的離子反應(yīng)去思考，再將主體反應(yīng)“拆分”為氧化和還原兩部分去分析，就能夠使思維更加有序，極大降低錯(cuò)誤率。本文就拆分法梳理氧化還原反應(yīng)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，重建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，理清守恒關(guān)系的先后規(guī)律，建立分析問題的系統(tǒng)思維，拓展學(xué)生思維的廣度和深度，提高學(xué)生解決問題能力。

一、拆分反應(yīng)，分析主體物質(zhì)價(jià)態(tài)變化

氧化還原反應(yīng)必然有元素的化合價(jià)升降，含有這些元素的物質(zhì)構(gòu)成了方程式的主體部分，我們一般稱之為“兩劑兩產(chǎn)物”，其余物質(zhì)屬于反應(yīng)的環(huán)境部分，化合價(jià)不會(huì)改變，其主要功能在調(diào)配電荷、使其他元素守恒。據(jù)此，可以建立氧化還原反應(yīng)的認(rèn)知模型如下：

從半反應(yīng)視角去看，氧化劑轉(zhuǎn)化為還原產(chǎn)物，從強(qiáng)氧化劑變?yōu)槿踹€原劑，還原劑轉(zhuǎn)化為氧化產(chǎn)物，從強(qiáng)還原劑變?yōu)槿跹趸瘎裱瘜W(xué)反應(yīng)“強(qiáng)+強(qiáng)=弱+弱”的一般規(guī)律。我們可以通過元素化合價(jià)的變化分析和定義氧化還原反應(yīng)的“兩劑兩產(chǎn)物”，其中氧化劑和還原產(chǎn)物，還原劑和氧化產(chǎn)物是成對(duì)出現(xiàn)的。氧化劑具有氧化性，是描述物質(zhì)所含元素得電子、化合價(jià)降低的性質(zhì)，高價(jià)元素一般具有氧化性，低價(jià)元素一般具有還原性，梳理常見氧化劑和還原劑的價(jià)態(tài)變化規(guī)律，有助于對(duì)氧化還原反應(yīng)的理解。

表1 常見氧化劑和其還原產(chǎn)物

表2 常見還原劑和其氧化產(chǎn)物

【例1】1.寫出O2將Mn2+氧化成MnO(OH)2的離子方程式：____________________。

二、電子守恒，確定變價(jià)原子之間關(guān)系

從哲學(xué)的角度來說：物質(zhì)不可能被毀滅，也不會(huì)被創(chuàng)造，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。電子也是如此，電子可以從一個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物質(zhì)，在化學(xué)變化中電子是守恒的，得失電子數(shù)相等，在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)為化合價(jià)升降相等。在明確了“兩劑兩產(chǎn)物”價(jià)態(tài)變化數(shù)之后，氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物之間存在確定的物質(zhì)的量之比，據(jù)此，不需要書寫方程式就可以確定變價(jià)原子之間的關(guān)系式。

【答案】2∶7

【例3】3.84 g鐵和氧化鐵的混合物溶于過量的鹽酸，標(biāo)準(zhǔn)狀況下生成0.672 L氫氣，若反應(yīng)后溶液中無(wú)Fe3+，求氧化鐵的質(zhì)量？

【答案】1.6 g

【解析】如何繞開三個(gè)化學(xué)方程式列出關(guān)系式呢？根據(jù)氧化還原反應(yīng)可知：反應(yīng)過程中只有鐵是還原劑，失去電子；氧化鐵和鹽酸是氧化劑，得到電子，其中鹽酸得到的電子可以通過其還原產(chǎn)物的量氫氣得知，根據(jù)得失電子相等解答如下：

三、計(jì)算電荷，判斷環(huán)境參與反應(yīng)物質(zhì)

化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原子間重新組合，氧化還原反應(yīng)過程中，元素的化合價(jià)改變，與原子重組配比也要改變，新生成的離子電荷數(shù)也可能要發(fā)生變化，反應(yīng)前后的電荷數(shù)可能并不相等，為了使溶液保持電中性，需要介質(zhì)中存在的一些離子參與或者生成。所以氧化還原反應(yīng)在配平了“兩劑兩產(chǎn)物”的關(guān)系之后，需要計(jì)算電荷數(shù)，在水溶液中一般用H+或OH-調(diào)平電荷，具體如下：

其中左邊補(bǔ)H+和右邊補(bǔ)OH-都能夠?qū)φ姾伞白笊儆叶唷钡姆磻?yīng)達(dá)到相同的平衡電荷效果，此時(shí)要關(guān)注溶液的酸堿性，也就是溶液中氫、氧元素主要存在的形式，這就是所謂原子守恒考慮的問題。所以，從邏輯上來說：首先需要配平電荷，再進(jìn)行原子配平，初學(xué)者因?yàn)榻佑|的氧化還原反應(yīng)比較基礎(chǔ)，在這兩步的順序沒有嚴(yán)格區(qū)分，造成了認(rèn)識(shí)的誤區(qū)。若溶液沒有明確酸堿性，可以認(rèn)為是水分子參與反應(yīng)，生成了酸或堿。所以，酸性溶液進(jìn)行并不一定就是有H+參加反應(yīng)，有H+生成的情況也很常見，堿性溶液進(jìn)行并不一定就是有OH-參加反應(yīng)，有OH-生成也可以。

【例4】N2O5是綠色硝化試劑，溶于水可得硝酸，如圖是以N2O4為原料電解制備N2O5的裝置示意圖，寫出陽(yáng)極區(qū)生成N2O5的電極反應(yīng)式：____________________。