电子守恒法在氧化还原反应中的应用

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  在氧化还原反应中遵循电子守恒,即氧化剂得到的电子的物质的量(或个数)等于还原剂失去的电子的物质的量(或个数)。若将电子守恒规律应用来解题,可以大大简化我们的计算过程,收到事半功倍的效果。
  1. 在“活泼金属与酸或水反应生成H2”中的应用
  活泼金属与酸或水反应产生H2这类题很常见,其实质为:活泼金属失电子,+1价的氢得电子,而金属失去电子的物质的量等于生成H2所需得到电子的物质的量,即n(金属)×金属变化的化合价=n(H2)×2。
  例1  A、B是同一周期的两种元素,9 g A单质跟足量的B的气态氢化物水溶液反应,产生11.2 L氢气(标准状况下),A和B可形成化合物AB3, A原子核里中子数比质子数多1,通过计算确定A、B各为哪种元素。
  解析  根据A、B可形成化合物AB3,及A单质与足量B的气态氢化物水溶液反应产生H2,可知A为金属元素且在上述反应中化合价表现为+3,n(H2)=0.5 mol,n(金属)=[9M]mol (M为该金属的摩尔质量)代入上述公式:[9M]×3=0.5 mol×2,得M=27,所以A为Al元素,进一步确定B为Cl元素。
  2. 在金属与硝酸反应中的应用
  计算O2的物质的量,并求出其体积,此方法运算量大,中间计算多且复杂,容易出错,用电子守恒法综合考虑,可省去中间的各步计算。
  例2  3.84 g铜和一定质量的浓硝酸反应,当铜反应完时,共收集到标准状况时的气体2.24 L,若把装有这些气体的集气瓶倒立在盛水的水槽中,需通入多少升标况下的氧气才能使集气瓶充满溶液?
  解析  铜失去的电子数=被还原的硝酸得到的电子数=还原产物NO、NO2消耗的氧气得到的电子数,略去中间计算,即铜失去的电子数=氧气得到的电子数。
  则[n(O2)=3.84 g÷64 g?mol-1×2×14=0.03mol]
  [V(O2)=0.03mol×22.4 L?mol-1=0.672 L]
  3. 在判断氧化产物或还原产物化合价中的应用
  例3  12 mL浓度为0.10 mol·L-1的Na2SO3溶液恰好与10 mL浓度为0.04 mol·L-1的K2Cr2O7溶液完全反应,通过计算确定Cr元素在还原产物中的化合价。
  解析  在Na2SO3与K2Cr2O7发生的氧化还原反应中,Na2SO3作还原剂被氧化为Na2SO4,1 mol Na2SO3失去2 mol电子,K2Cr2O7作氧化剂得到电子,两者得失电子的物质的量相等,即12×10-3 L×0.10 mol·L-1×2=10 ×10-3 L×0.04 mol·L-1×2×Δn(Δn为Cr在反应中化合价的变化值),即Δn=3,所以Cr元素在还原产物中的化合价为:+3。
  4. 在判断不熟悉反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比的应用
  例4  (NH4)2SO4在强热条件下分解,生成NH3、SO2、N2和H2O,试求反应中生成的SO2和N2的物质的量之比。
  解析  常规的解法是先写出(NH4)2SO4在强热条件下的分解反应方程式,然后配平,最后求解。这种解法耗时比较多。仔细分析不难发现,SO2是还原产物,N2是氧化产物,那么生成SO2得到电子的物质的量应等于生成N2失去电子的物质的量,所以SO2与N2的物质的量之比为3∶1。
  5. 在产物不确定中的应用
  例5  15 g Mg-Fe合金溶解在一定量某浓度的稀硝酸中,当金属完全反应后,收集到标准状况下5.6 L NO气体(设硝酸的还原产物只有NO),在反应后的溶液中加入足量的NaOH溶液,可得到多少克沉淀?
  解析  该反应中Fe的价态无法确定,用常规方法解需要进行讨论。但Mg、Fe失电子的物质的量等于氮元素得电子的物质的量,n(得)=n(失)= 5.6 L÷22.4 L·mol-1×3=0.75 mol,Mg、Fe失电子后的阳离子所带的正电荷共为0.75 mol,它也等于沉淀该阳离子所需OH-的物质的量,即n(OH-)= 0.75 mol,则m(沉淀)= m(合金)+ m(OH-) =15 g+0.75 mol×17 g·mol-1=27.75 g。
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