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四、氧化还原反应计算

离子反应与氧化还原反应 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 基于电子守恒定律,通过确定氧化剂、还原剂及中间价态物质的电子转移数,建立等量关系求解未知量的计算方法。

从哪来 建立在模板1:物质的量计算之上。氧化还原计算的核心是将“电子转移的物质的量”与“参与反应物质的物质的量”通过化学计量数或化合价变化建立桥梁,若无法准确进行物质的量(n)与摩尔质量(M)、气体体积(V)之间的换算,则无法完成电子守恒的数值代入。

为什么 氧化还原反应的本质是电子的转移。在封闭体系中,氧化剂得到的电子总数必然等于还原剂失去的电子总数(电荷守恒/电子守恒)。 之所以能用此法计算,是因为无论反应过程多复杂(如歧化、归中、连续氧化),只要确定了反应物与生成物中关键元素的化合价变化,就能算出每摩尔物质转移的电子数。 例如:$Fe^{2+} \to Fe^{3+}$ 失去 1e⁻,$MnO_4^- \to Mn^{2+}$ 得到 5e⁻。 根据守恒:$n(Fe^{2+}) \times 1 = n(MnO_4^-) \times 5$。 这比配平复杂方程式更直接,因为它绕过了中间产物和复杂的化学计量数,直接锚定始态和终态的电子得失平衡。

“收支平衡法”(适合逻辑清晰、擅长代数思维的学生)** 1. **找对象
圈出发生化合价变化的元素(氧化剂、还原剂)。 2. 算单价:计算 1 mol 该物质转移的电子数($\Delta e$)。 * 公式:$n(e^-) = n(\text{物质}) \times |\text{化合价变化}| \times \text{原子个数}$ 3. 列等式:$n(\text{氧化剂}) \times \Delta e_{\text{得}} = n(\text{还原剂}) \times \Delta e_{\text{失}}$。 4. 代数据:将题目给出的质量、体积转化为物质的量代入求解。 * *强调*:这是最通用的方法,不需要配平整个方程式,只需关注变价元素。
讲法
“归中/歧化特例法”(适合对特定反应类型敏感、喜欢记忆规律的学生) 针对高三高频考点,直接给出特定反应的电子转移比例,形成“肌肉记忆”: 1. 归中反应(如 $Fe^{2+}$ 与 $Fe^{3+}$ 混合,或 $S^{2-}$ 与 $S^{4+}$ 生成 $S$): * 口诀:“高价低价向中间靠,电子得失看距离”。 * 例:$2Fe^{3+} + Fe \to 3Fe^{2+}$,每 1 mol Fe 反应,转移 2 mol 电子。 2. 歧化反应(如 $Cl_2 + NaOH$): * 口诀:“自身氧化自身还,比例由价态差定”。 * 例:$Cl_2$ 中 Cl 从 0 价变为 -1 和 +1,得失电子数相等,故生成 $NaCl$ 和 $NaClO$ 的物质的量之比为 1:1。 * *强调*:对于固定反应,直接套用比例比列方程更快,适合选择题秒杀。
“守恒联立法”(适合基础薄弱、容易在复杂混合物中迷失的学生)** 当题目给出混合物(如 $Fe$ 和 $Fe_2O_3$ 的混合物溶于酸)时,不要试图写出总反应方程式,而是分步守恒: 1. **原子守恒
铁元素总量 = 反应后溶液中 $Fe^{2+}$ + $Fe^{3+}$ 的总量。 2. 电子守恒:还原剂(如 Fe)失去的电子 = 氧化剂(如 $H^+$ 或 $Fe^{3+}$)得到的电子。 3. 电荷守恒(辅助):溶液中阳离子所带正电荷总数 = 阴离子所带负电荷总数。 * *强调*:将大问题拆解为“原子去哪了”和“电子去哪了”两个独立问题,降低认知负荷。
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练一道
基础题
向 100 mL 0.1 mol/L 的 $KMnO_4$ 酸性溶液中通入 $SO_2$,恰好使 $KMnO_4$ 完全还原为 $Mn^{2+}$。求被氧化的 $SO_2$ 的物质的量。
变式
将 5.6 g 铁粉加入 100 mL 1.0 mol/L 的 $CuSO_4$ 溶液中,充分反应后,再向溶液中加入足量稀盐酸,收集到标准状况下气体 2.24 L。求原 $CuSO_4$ 溶液中 $Cu^{2+}$ 的物质的量浓度。(已知:$Fe + Cu^{2+} \to Fe^{2+} + Cu$,$Fe + 2H^+ \to Fe^{2+} + H_2\uparrow$)
看解答过程
1. 确定变价元素及电子转移数: * 氧化剂:$Mn$ 元素,从 +7 价 ($KMnO_4$) 变为 +2 价 ($Mn^{2+}$),得电子数 $\Delta e = 7 - 2 = 5$。 * 还原剂:$S$ 元素,从 +4 价 ($SO_2$) 变为 +6 价 ($SO_4^{2-}$),失电子数 $\Delta e = 6 - 4 = 2$。 2. 计算已知物质的量: * $n(KMnO_4) = 0.1 \, \text{L} \times 0.1 \, \text{mol/L} = 0.01 \, \text{mol}$。 3. 建立电子守恒等式: * $n(KMnO_4) \times 5 = n(SO_2) \times 2$ * $0.01 \times 5 = n(SO_2) \times 2$ 4. 求解: * $n(SO_2) = \frac{0.05}{2} = 0.025 \, \text{mol}$。
试试手自己判
检测题
向 100 mL 0.1 mol/L 的 $FeI_2$ 溶液中通入标准状况下 112 mL $Cl_2$,充分反应后,溶液中 $Fe^{2+}$ 的物质的量浓度为多少?(已知还原性:$I^- > Fe^{2+} > Br^-$,本题不涉及 $Br^-$,但需知 $I^-$ 还原性强于 $Fe^{2+}$)
看答案和判分标准
答案:0.05 mol/L
判对标准:
1. 正确判断反应顺序:指出 $Cl_2$ 先氧化 $I^-$,再氧化 $Fe^{2+}$。(2分)
2. 正确计算物质的量:
* $n(FeI_2) = 0.01 \, \text{mol}$,则 $n(I^-) = 0.02 \, \text{mol}$,$n(Fe^{2+}) = 0.01 \, \text{mol}$。
* $n(Cl_2) = 0.005 \, \text{mol}$,得电子能力 $0.005 \times 2 = 0.01 \, \text{mol}$。(2分)
3. 正确分配电子:
* $I^-$ 失电子:$0.02 \, \text{mol} \times 1 = 0.02 \, \text{mol}$。
* 因为 $Cl_2$ 只能提供 0.01 mol 电子,所以 $I^-$ 只有一半被氧化?
* 等等,重新计算:
* $n(Cl_2) = 0.112 / 22.4 = 0.005 \, \text{mol}$。
* $Cl_2$ 得电子总数 = $0.005 \times 2 = 0.01 \, \text{mol}$。
* $I^-$ 总物质的量 = $0.1 \times 0.1 \times 2 = 0.02 \, \text{mol}$。
* $I^-$ 完全氧化需失电子 0.02 mol。
* 现有电子 0.01 mol < 0.02 mol。
* 结论:$Cl_2$ 不足,只氧化了部分 $I^-$,$Fe^{2+}$ 完全没有被氧化。
* 因此,溶液中 $Fe^{2+}$ 的物质的量仍为 0.01 mol。
* 浓度 $c = 0.01 \, \text{mol} / 0.1 \, \text{L} = 0.1 \, \text{mol/L}$。

修正检测题答案:
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