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3.2 特殊氧化还原反应的配平

氧化还原反应及其规律 · 高一
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 指反应中元素化合价升降数不直接对应原子个数,需通过“最小公倍数法”确定系数后再配平其他元素的特殊氧化还原反应。

从哪来 本知识点建立在 2.2 各类物质的化学性质(如浓硫酸、硝酸的强氧化性)及 2.1 无机物转化网络(核心三角)中物质转化的氧化还原本质之上,同时需结合 4.3 氧化物的分类判断来识别反应物与生成物中的氧化物角色。

为什么 在常规氧化还原反应中,氧化剂与还原剂得失电子数往往直接对应原子个数比。但在特殊反应中(如 $3Cu + 8HNO_3(稀) = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$),部分原子既参与氧化还原(N变价),又参与非氧化还原部分(形成盐)。若仅按得失电子配平,会导致原子不守恒。因此,必须遵循“先电子守恒定氧化剂/还原剂系数,再原子守恒定其他系数”的逻辑,以解决“变价元素”与“不变价元素”共存于同一物质中的配平矛盾。

口诀引导法
适合记忆型、逻辑起步阶段的学生。 操作:教授“一标(标变价)、二列(列升降)、三求(求最小公倍数)、四定(定氧化剂还原剂系数)、五配(配平其他原子)”五步法。 示例:配平 $MnO_2 + HCl(浓)$。 1. 标:Mn(+4→+2),Cl(-1→0)。 2. 列:Mn降2,Cl升1(生成$Cl_2$需升2)。 3. 求:最小公倍数2。 4. 定:$MnO_2$系数1,$Cl_2$系数1。 5. 配:根据Mn定$MnCl_2$为1,根据Cl总数(右边$1\times2+1\times2=4$)定左边$HCl$为4,最后配H得$H_2O$为2。 优势:步骤机械,降低认知负荷,适合基础薄弱学生建立信心。
电子守恒拆解法
适合逻辑推理能力强、喜欢探究原理的学生。 操作:强调“电子转移只发生在变价元素之间,未变价元素只是‘旁观者’或‘载体’”。 核心逻辑: 1. 找出真正发生电子转移的原子对。 2. 计算每摩尔氧化剂/还原剂实际转移的电子数(注意:若一个分子中只有部分原子变价,需乘以该原子个数)。 3. 利用 $n(氧化剂) \times |Δe^-|_{氧化剂} = n(还原剂) \times |Δe^-|_{还原剂}$ 确定核心系数。 4. 剩余原子通过“质量守恒”补齐。 优势:从微观电子流动角度理解,避免死记硬背,能灵活处理复杂反应。
代数方程组法
适合数学基础好、对化学直觉较弱的学生。 操作:设各物质系数为 $a, b, c, d, e$。 1. 列出原子守恒方程组(C, H, O, N等)。 2. 列出电子守恒方程(或化合价升降总数相等)。 3. 解方程组,取最小整数解。 示例:$aKMnO_4 + bHCl \rightarrow cKCl + dMnCl_2 + eCl_2 + fH_2O$。 通过K, Mn, O, H, Cl原子守恒及电子守恒联立求解。 优势:将化学问题转化为纯数学问题,消除对“配平技巧”的恐惧,确保结果唯一且正确。
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练一道
基础题
配平 $Cu + HNO_3(稀) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + NO\uparrow + H_2O$
变式
配平 $K_2Cr_2O_7 + HCl(浓) \rightarrow KCl + CrCl_3 + Cl_2\uparrow + H_2O$
看解答过程
1. 标变价:Cu(0→+2),N(+5→+2)。 2. 列升降:Cu升2,N降3。 3. 求公倍:最小公倍数为6。 4. 定系数:Cu系数为3($3\times2=6$),NO系数为2($2\times3=6$)。 此时:$3Cu + HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + H_2O$ 5. 配其他: - 右边Cu为3,故$Cu(NO_3)_2$为3。 - 右边$NO_3^-$总数:$3\times2=6$个,加上2个NO中的N,共需8个N原子。 - 故左边$HNO_3$系数为8。 - 左边H为8,故右边$H_2O$系数为4。 - 检查O:左边$8\times3=24$;右边$3\times6 + 2\times1 + 4\times1 = 18+2+4=24$。守恒。 最终结果:$3Cu + 8HNO_3(稀) = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$
试试手自己判
检测题
配平下列反应方程式: $Fe_3O_4 + HNO_3(浓) \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + H_2O$
看答案和判分标准
答案:$Fe_3O_4 + 14HNO_3(浓) = 3Fe(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + 7H_2O$
判对标准:
1. 系数正确:$Fe_3O_4$为1,$HNO_3$为14,$Fe(NO_3)_3$为3,$NO_2$为1,$H_2O$为7。
2. 过程展示(若要求写过程):
- 识别$Fe_3O_4$中Fe平均化合价为+8/3,或视为$FeO \cdot Fe_2O_3$,其中+2价Fe升2,+3价Fe不变。
- 1mol $Fe_3O_4$ 含1mol +2价Fe,失2mol $e^-$。
- N(+5→+4)得1mol $e^-$。
- 最小公倍数2,故$NO_2$系数为2?
- 等等,这里需要仔细检查。
- $Fe_3O_4$中,2个Fe是+3,1个Fe是+2。
- 只有+2价Fe变价,升2价。
- N(+5→+4)降1价。
- 电子守恒:1个$Fe_3O_4$失2e,需要2个N得2e。
- 所以$NO_2$系数应为2。
- 让我们重新配平:
$1Fe_3O_4 + HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + 2NO_2 + H_2O$
- Fe: 3 -> 3 (OK)
- N: 右边 $3\times3 + 2 = 11$。所以左边$HNO_3$是11?
- H: 左边11 -> 右边$H_2O$是5.5?不对。
- 重新检查$Fe_3O_4$的电子转移:
$Fe_3O_4$可以看作$FeO \cdot Fe_2O_3$。
$FeO$中Fe(+2) -> $Fe^{3+}$,失1e。
$Fe_2O_3$中Fe(+3) -> $Fe^{3+}$,不变。
所以1mol $Fe_3O_4$ 失 1mol $e^-$。
N(+5) -> N(+4),得1e。
所以系数比是 1:1。
$1Fe_3O_4 + HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + 1NO_2 + H_2O$
- N守恒:右边 $3\times3 + 1 = 10$。左边$HNO_3$为10。
- H守恒:左边10,右边$H_2O$为5。
- O守恒:左边 $4 + 10\times3 = 34$。右边 $3\times9 + 2 + 5 = 27+2+5=34$。守恒。
- 正确系数:$1, 10, 3, 1, 5$。

修正后的答案:
$Fe_3O_4 + 10HNO_3(浓) = 3Fe(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + 5H_2O$
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