[興倫智能課堂] 氧化還原反應

第三節配平氧化還原反應式

配平氧化還原反應式

氧化還原反應可以分為「氧化反應」和「還原反應」兩個過程，若將氧化反應和還原反應的離子半反應式合併，就可以得到氧化還原反應式。

另一方面，氧化還原反應過程中，必然涉及氧化數的改變。我們可以利用氧化數的改變來平衡氧化還原反應式。

下面，我們會介紹書寫氧化還原反應式的兩種常用的方法：

利用半反應式
利用氧化數的改變

根據指引完成相應的題目，學習如何配平氧化還原反應式。只要掌握一種適合自己的方法即可。

利用半反應式配平氧化還原反應式

以酸化高錳酸鉀溶液與硫酸鐵(II) 溶液的反應為例，介紹如何利用半反應式來書寫和配平氧化還原反應式。

第一步：判斷氧化劑和還原劑。提示

氧化劑是
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)/{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
還原劑是
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)/{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)

第二步：寫出氧化/還原反應的離子半反應式。提示

- 氧化反應
- 還原反應
的半反應式可寫作：
\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\ \)
- \(\text{4}{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{8}{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
+
- \(\text{0}{{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{3}{{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{5}{{\text{e}}^{-}}\)
\(\to \)
- \(\text{MnO}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\)
+
- \(\text{4O}{{\text{H}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
- \(\text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
+
- \(\text{0}{{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{3}{{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{5}{{\text{e}}^{-}}\)
- 氧化反應
- 還原反應
的半反應式可寫作：
\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \)
- \(\text{0}{{\text{e}}^{-}}\)
- \({{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{3}{{\text{e}}^{-}}\)
\(\to \)
- \(\text{Fe}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\)
+
- \(\text{0}{{\text{e}}^{-}}\)
- \({{\text{e}}^{-}}\)
- \(\text{3}{{\text{e}}^{-}}\)

第三步：乘以系數，使兩離子半反應式中電子數目相等。提示

仔細對比下面兩個離子半反應式，

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{8}{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5}{{\text{e}}^{-}}\ \to \ \text{Mn}{{\ }^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{e}}^{-}}\)

若要平衡電子數目，則需要：

在反應式 1 的兩方同時乘以系數
- 1
- 3
- 5
在反應式 2 的兩方同時乘以系數
- 1
- 3
- 5

第四步：合併，消去電子及兩方同時出現的項目。提示

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{8}{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5}{{\text{e}}^{-}}\ \to \ \text{Mn}{{\ }^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
\(\text{5F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{5F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{5e}}^{-}}\)

結合上面兩個離子半反應式，可獲得總的氧化還原反應式：

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ 5\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \) \(\to \)

利用氧化數的改變配平氧化還原反應式

以酸化高錳酸鉀溶液與硫酸鐵(II) 溶液的反應為例，介紹如何利用氧化數的改變來書寫和配平氧化還原反應式。

第一步：判斷氧化劑和還原劑，並確定生成物。提示

氧化劑是
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)/{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
；被還原成
- \(\text{MnO}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\)
還原劑是
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{KMn}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)/{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
；被氧化成
- \(\text{Fe}\left( \text{s} \right)\)
- \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)
- \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\)

第二步：將兩者合併，並計算所有原子的氧化數。提示

將下面兩個反應關係相加，

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\)； \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\)

就可以得到下面的反應式：

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\) \(\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \)

其中，以下元素氧化數的變化分別為：

\(\text{Mn}\)： \(\ \to \ \) ； \(\text{O}\)： \(\ \to \ \) ； \(\text{Fe}\)： \(\ \to \ \)

第三步：根據氧化數的變化計算單位化學式得失電子的數目。提示

\[\overset{+7}{\mathop{\text{Mn}}}\,{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\ \overset{+2}{\mathop{\text{Fe}}}\,{{\ }^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \overset{+2}{\mathop{\text{Mn}}}\,{{\ }^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \overset{+3}{\mathop{\text{Fe}}}\,{{\ }^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\]

根據以上反應式中元素氧化數的變化可知：

一個 \(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\) 發生
- 氧化反應
- 還原反應
生成 \(\text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\) 時，獲得個電子；
一個 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\) 發生
- 氧化反應
- 還原反應
生成 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\) 時，失去個電子。

第四步：在反應物前加上適當的系數，使失電子的數目相等。提示

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\ \) \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\)

第五步：在生成物前加上適當的系數，使失電子的原子數目相等。提示

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\ 5\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \) \(\text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \) \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\)

第六步：平衡除 \(\rm{O}\)、\(\rm{H}\) 外的所有原子。提示

仔細觀察下面的反應式，除 \(\rm{O}\)、\(\rm{H}\) 外，是否所有原子都已經平衡了？ \[\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ +\ 5\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ 5\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\]

第七步：在缺乏正電荷的一方加上 \({{\text{H}}^{\text{+}}}\)，以平衡電荷。提示

仔細觀察下面的反應式，在空格中填寫適當的數字以平衡反應式兩方的電荷。

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \) \({{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \) \({{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\)

第八步：在反應式的左/右方加上 \({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)，以平衡氧原子，並檢查氫原子是否平衡。提示

仔細觀察下面的反應式，在空格中填寫適當的數字以平衡反應式兩方的電荷。

\(\text{Mn}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ 8{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \) \({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \to \ \text{M}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{5F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \) \({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)