氧化还原反应的相关题目往往能难倒很多中学学生,究其原因,不会合理利用化合价有关知识是其主要原因。探究如何利用化合价帮助学生提高高中化学解题效率对每一个高中化学教师都很有研究的必要。
1 中学化学中化合价的定义概述
元素之间相互化合时,反应物原子的个数比会因为原子的最外层电子数的不同而有所差异,譬如元素钾K和元素氯Cl化合时,元素钾K因为其最外层具有1个容易失去的电子而显+1价,元素氯Cl电子层的最外层具有7个电子容易得到元素钾K最外层的1个电子而形成8电子的稳定结构因而显示-1价,这种情况相互化合的两个元素的原子比为1:1。但当由元素镁Mg与元素氯Cl化合时,因为元素镁Mg最外层有两个活跃的电子,形成化合物时会显示+2价,故形成化合物Mg Cl2时,镁原子和氯原子的比例为1:2。一个化合物如果正负化合价总和不能为0,那构成化合物原子的电子排布就不能达到稳定,形不成稳定的化合物。
化合价只是针对元素与其他元素化合时才会表现出来的性质,单质分子是没有化合价的说法的,也可以认为其化合价为“0”。
2 在配平化学方程式的过程中化合价的妙用
在氧化还原反应中,还原剂失去电子的总共数目一定要与氧化剂得到电子的总共数目相等,利用这一点,在化学方程式的配平过程中,可以先写出氧化剂和还原剂的分子式,在其化合价发生变化的元素上面标明化合价,计算其元素在反应前后的化合价变化总和。运用电子守恒原理,通过简单的系数计算使其整个反应内的电子得失总数相等,最后通过原子守恒原理在方程式两边添加上和数目的水等物质即可。
典例1:配平化学方程式C+HNO3→NO2+CO2+H2O。
反应C+HNO3→NO2+CO2+H2O,碳元素C从0价到+4价失去电子作还原剂,硝酸HNO3中氮元素N从+5价变为+4价得到电子作氧化剂,设原反应为a C+b HNO3→b NO2+a CO2+H2O,根据电子守恒易得4a=b,元方程可先写为C+4HNO3→4NO2+CO2+H2O。根据原子守恒把氢元素H配平,可得H2O前的系数是2,所以所求化学方程式为C+4HNO3=4NO2+CO2+2H2O。可见,运用化合价的变化,加上电子守恒定律先配平氧化剂和还原剂,最后根据氢原子H守恒可以非常快捷地配平氧化还原反应的化学方程式。
典例2:配平化学方程式Na IO3+Na HSO3→Na HSO4+Na2SO4+I2+H2O
Na IO3+Na HSO3→Na HSO4+Na2SO4+I2+H2O中元素碘I和元素S有明显的化合价变化,可以看到元素碘I在反应物Na IO3显+5价,在生成物I2中显0价,可知Na IO3得电子为反应的氧化剂。而反应物Na HSO3中元素S显+4价,而在生成物Na HSO4中显示+6价,所以元素S在反应中失去电子,作反应的还原剂,若将反应设为2a Na IO3+b Na HSO3→c Na HSO4+d Na2SO4+a I2+H2O,则根据电子守恒有10a=2b。再根据钠原子Na和硫原子S守恒有2a+b=c+2d,b=c+d,联解可得,所求的化学方程式为2Na IO3+5Na H-SO3→3Na HSO4+2Na2SO4+I2+H2O,最后跟氢原子H守恒可得H2O的系数为1,所以2Na IO3+5Na HSO3=3Na HSO4+2Na2SO4+I2+H2O为本例的最终答案。
由本例可以看出,巧用化合价是可以将一些看似非常复杂的方程式配平问题变得非常简单的,这样的题目如果不借助化合价来列出电子守恒方程,氧化剂和还原剂的系数是根本没有办法确定的。
3 在化学定量问题的求解中化合价的巧用
3.1 氧化还原反应求物质的具体量的计算问题
在一些牵涉到氧化还原反应的复杂定量问题的求解中,如果不借助化合价立出电子守恒的相关方程,计算量可能大大增大或者是根本无法解答出来。学会利用化合价来列出电子得失方程在定量计算中是尤为重要的。
典例3:一定量的HNO3浓溶液,与3.84克铜相混合,将反应放出的气体收集起来发现其在标准状况下刚好为1摩尔,若将其气体的收集气瓶放入水槽中,在标准状况下要多少氧气的融入才能使得气瓶被溶液所充满?
解析:集气瓶要想被溶液所充满,则集气瓶中不能够有不溶于水的气体,浓硝酸与铜反应肯定是生成了不溶于水的氢气,而现在要让这些氢气与氧气反应掉,计算氧气的量。如果根据铜的量先算氢气的量,再用氢气的量算氧气的量,那问题就被复杂化了,而大量的计算也容易出错。所以这里就要用到化合价来进行电子得失的计算。Cu从单质的0价变为+2价,1摩尔铜失2摩尔电子,而氧气与氢气反应1摩尔氧气能得4摩尔电子,整个过程中铜先将电子传递给氢气,氢气再传递给氧气,所以只要算得铜的量,就能算出氢气的量。铜的质量分数是64,1摩尔氧气标准状况下的体积为22.4升,所以可立出方程氧气的体积为(3.84/64)÷2×22.4=0.672,所以算得氧气的量为0.672升。可以看到,这样的题目如果不利用化合价作整体过程考虑计算使会相当繁琐的,但是利用整个过程的电子守恒加化合价辅助进行定量计算,中间的过程就可以悉数略去了。
3.2 氧化还原反应中求氧化产物与还原产物物质的量比的问题
在氧化还原反应中求氧化产物与还原产物物质的量比的问题中,化合价的运用显得尤为关键,其主要的手段还是通过电子守恒原理来列出方程。
典例4:在某种强度的条件下,(NH4)2SO4发生了分解反应,产物包括氨气,二氧化硫气体、氮气以及水,求所分解生成的二氧化硫气体与氮气的物质的量比。
解析:反应的产物中氨气NH3和水H2O中的元素并没有发生化合价变化,而二氧化硫气体SO2中的硫元素由(NH4)2SO4中的+6价变为了+4价,得到了电子,是还原产物,而氮气N2中的氮元素由(NH4)2SO4中的+3价变为了0价,是反应中的氧化产物,所以只需根据化合价的变化之比,就可以知道参与了反应的硫元素和氮元素之比为化合价之比的反比,即3:2。又因为1个单位的氮气含有两个单位的氮原子,所以所求的二氧化硫气体与氮气之比为3:1。这样的题目,因为分解的生成物中还有含氮元素的氨气存在,是根本无法通过原子守恒来解出的,利用化合价就成了这类题目解答的不二法门。
3.3 氧化还原反应中求解氧化产物或还原产物中元素的具体化合价问题
在氧化还原反应中,氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物四者的元素化合价之间存在着知三求一的关系,只要其中三者的元素化合价已知,那运用化合价的变化通过电子守恒进行计算,剩下的那一者的化合价也一定可以计算出来。
典例5:已知HRO3是一种强氧化剂,其溶液与亚硫酸溶液发生反应,R元素被从高价态还原到了较低价态,HRO3消耗量为0.0024摩尔,浓度为0.1摩尔每升的亚硫酸溶液则被耗去了24ml,求问R元素被还原到了什么价态。
解析:亚硫酸中反应中硫元素S只能被从+4价氧化氘+6价,通过浓度为0.1摩尔每升的亚硫酸溶液则被耗去了24ml可以计算出亚硫酸溶液总共失去电子(6-4)×24ml×0.1mol/L。而强氧化剂HRO3应该得到这些电子,HRO3的得子总量应该为(5-x)×0.0024mol,其中x为HRO3中R元素反应后的价态,通过简单计算就可以得到X的值为3,所以R元素被还原到了+3价。从本例可以看出,氧化还原反应的元素化合价存在知三求一的关系,求解需要利用电子守恒原理。
4 结语
氧化还原反应相关内容在高中化学中举足轻重,巧用化合价能使相关问题的解答得到有效简化,特别是在配平化学方程式和氧化还原反应定量计算中效果明显。本文只是对化合价在高中化学解题效率提高中的运用进行了粗浅探讨,若想全面认识化合价在高中化学解题中的妙用,还需要广大高中化学教育工作者一起付出更多心血进行探索。
摘要：巧用化合价相关知识,能使高中化学很多氧化还原反应有关问题得到简化。本文对中学化学中化合价的定义进行了简要概述,粗略探讨了化合价在配平化学方程式和氧化还原反应定量计算中的有效利用方法。
关键词：化合价,高中化学,有效利用
参考文献
[1] 计许婷.高中化学教学中培养学生知识迁移能力的实践研究[D].南京师范大学,2014.