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关于有多套配平系的氧化还原方程式

来源:作者:关平 点击:所属专题:
对于一般反应方程式的配平,国内早有综述性文章介绍 [1] ,显然,一种氧化还原反应式,只能有一套配平系数,例如: 13H 2 SO 4 +10KSCN+12KMnO 4 =12MnSO 4 +11K 2 SO 4 +10HCN+8H 2 O 在此反应中,仅有唯一的一套配平系数。然而,在普通及无机化学中,还会出现有多套

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对于一般反应方程式的配平,国内早有综述性文章介绍,显然,一种氧化还原反应式,只能有一套配平系数,例如:

13H2SO4+10KSCN+12KMnO4=12MnSO4+11K2SO4+10HCN+8H2O

在此反应中,仅有唯一的一套配平系数。然而,在普通及无机化学中,还会出现有多套配平系数的氧化还原反应,例如KClO3HCl的反应,可举出下列三种配平系数:

2KClO3+4HCl=2KCl+2H2O+Cl2+2ClO2  (1)

11KClO3+18HCl=11KCl+9H2O+3Cl2+12ClO2  (2)

8KClO3+24HCl=8KCl+12H2O+9Cl2+6ClO2  (3)

为什么?原因何在?本文拟就此问题作一讨论。 

一、由二个独立反应组成的氧化还原方程式

出现配平系数多重性的原因之一是:这些反应实际上是由二个独立反应组成的总氧化还原方程式,现举例说明。

[1]上面提到的KClO3HCl的反应,实际上是由二个配平了的独立反应式组成:

KClO3+6HCl=KCl+3H2O+3Cl2                           (4)

5KClO3+6HCl=5KCl+3H2O+6ClO2                     (5)

这二个反应式可按各种比例混合而形成总的反应方程式:

(x+5y)KClO3+6(x+y)HCl=(x+5y)KCl+3(x+y)H2O+3xCl2+6yClO2  (6)

上面提到的三个方程[(1)(2)(3)]仅是(6)式的三种特殊情况。在方程(1)中,X=y=1/3;在方程(2)中,x=1y=2;在方程(3)中,x=3y=1

[2]在酸性介质中H2O2KMnO4的反应。

其配平了的方程式一般可写为:

5H2O2+2KMnO4+3H2SO4=2Mn2SO4+5O2+K2SO4+8H2O  (7)

但实际上还存在许多其它套的配平系数,例如:

7H2O2+2KMnO4+3H2SO4=2MnSO4+6O2+K2SO4+10H2O  (8)

12H2O2+4KMnO4+6H2SO4=4MnSO4+11O2+2K2SO4+18H2O  (9)

        ……等。

此反应出现配平系数多重性的原因在于H2O2的歧化作用可作为一个独立的子反应:

2H2O2=2H2O+O2  (10)

所以总反应方程式可写为:

(5x+2y)H2O2+2xKMnO4+3xH2SO4=xMnSO4+(5x+y)O2

+xK2SO4+(8x+2y)H2O  (11)

方程式[(7)(8)(9)]仅是(11)式的三个特殊消况。在方程(1)中,x=1y=0;方程(2)中,x=1y=1;方程(3)中,x2y1

还可举出一些类似的例子,供读者练习使用。

〔类例1

3HClO3=HClO4+Cl2+2O2+H2O  (12)

此总方程式实际是由下列二个独立的子反应组成:

7HClO3=5HClO4+Cl2+H2O  (13)

4HClO3=2Cl2+5O2+2H2O  (14)

式乘2加上(13)式可得方程式:15HClO3=5HClO4+5Cl2+10O2+5H2O  (15)

上式各除以5,即得(12)式系数,当然还有其它套的配平系数(如:5,3,1,1,1;7,1,3,7,3;10,2,4,9,4等)。

〔类例2

3SO2+7C=CS2+S+6CO  (16)

此总方程式是由下列二个独立的子反应组成:

SO2+2C=S+2CO  (17)

2SO2+5C=CS2+4CO  (18)

所以也存在其它套的配平系数(如:4,9,1,2,8;5,12,2,1,10;5,11,1,3,10等)

〔类例3

NaClO+H2O2=NaCl+H2O+O2  (19)

在此反应中,H2O2的歧化(2H2O22H2OO2)可作为独立的子反应,所以方程(19)还存在其它套的配平系数(如:1,3,1,3,2;5,1,3,1,3;2,4,2,4,3等)。

  二、关于有多套配平系的氧化还原方程式氧化数变化值易混淆的氧化还原方程式

有时,一个氧化还原方程式的复杂性不是因为它表示一个以上的反应,而是因为方程式中,氧化数的变化值出现混淆,例如:

P2I4+P4+H2OPH4I+H3PO4   (未配平)                    (20)

配平此反应的困难在于:磷有两种不同的氧化态,反应后又转变成二种其它的氧化态,因此某产物中的磷究竟来自那一个反应物中的磷,是不清楚的。为了配平该反应,美国学者已提出多种方法,本文介绍二种较合理的代数求解法

()Carrano方法〔3Carrano建议使用代数方法求解,其具体步骤如下:

1步〕假设反应涉及到四个关于有多套配平系的氧化还原方程式半反应

[P2I4+8H++10e-=2PH4I+2I-]×A                                    (21)

[P4+4I-+16H++12e-=4PH4I]×B                                     (22)

[P2I4+8H2O=2H3PO4+4I-+10H++6e-]×C                         (23)

[P4+16H2O=4H3PO4+20H++20e-]×D                             (24)

2步〕基于方程二边的电子、质子和碘离子的相等可建立三个联立方程组:

10A12B=6C20D                                                 (25)

8A16B10C20D                                               (26)

4B2A4C                                                            (27)

ABCD分别表示四个半反应系数前的乘数。

3步〕确定ABCD以求出配平系数。

由于(26)式减去(25)式可得(27)式,即独立方程仅有二个,而未知数有四个,所以上述方程组没有唯一解。为了得到有限解,需要赋于另外二个条件,Carrano指出,为了保证在(21)式或(23)式形成的I-离子在(22)式消耗掉,加入二个附加条件后得到的结果必须满足CBA2B。作为一个例子,我们可以假设CA=1,将此值代入(25)(26)式可得B1.5D=1.1。如果都乘以10,即得到:A10B15C10D11。表1中列出了各种不同的附加条件和由此得到的结果。

如果我们将表1ABCD数值用于半反应,即可得到配平了的反应方程式

10P2I4+13P4+128H2O=40PH4I+32H3PO4  (28)

此类方程乍一看,似乎有多套配平系数,但是如果加入二个合理的附加条件,即可得到一个正确的配平反应方程式。这类反应可称之为具有拟多重系数的氧化还原方程式。

1系数值的说明例附加条件

系数值

关于有多套配平系的氧化还原方程式

()Mayper方法

Mayper认为Carrano方法(半反应+代数法)过于麻烦,可直接使用简单的代数方法,即:

aP2I4+bP4+cH2O=dPH4I+eH3PO4  (29)

基于反应式两边元素的平衡,我们可得到下列的联立方程组:

P2a+4b=d+3

I4a=d

H2c=4d+3e

Oc=4e

由此方程组可得13a10b,假如设a=10b13d4a40e2a4b-d2052-40=32C4e128。将这些系数用于(29)式,即得配平了的反应方程式(28)式。MayPer方法简单明了,它既不涉及产物来自那一反应物,也无须写出半反应和派定元素的氧化数,仅仅需要使用质量守恒定律即可得到正确的配平系数。

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