“电荷守恒”的妙用

陈烨

（江苏省盐城市第一中学）

“电荷守恒”的妙用

陈烨

（江苏省盐城市第一中学）

化学中的多种守恒关系，几乎都是高考中的热点。在电解质的电离和盐类的水解这两部分知识中，有两种守恒关系经常被用到：电荷守恒和物料守恒。在这里首先认识电荷守恒的相关知识，简单介绍根据电荷守恒判断反应物和生成物、配平离子反应方程式、书写并配平电极反应式以及溶液中离子浓度的相对大小的应用。

电荷守恒；离子方程式；电极反应式；离子浓度

所谓电荷守恒关系，就是在任何电解质溶液中阴阳离子浓度间的一个等式关系。电荷守恒主要表现在以下几个方面：

1.离子反应方程式中的电荷守恒：反应物所带的电荷总数等于生成物所带的电荷总数。

2.溶液呈电中性：所有阳离子所带正电荷总数等于阴离子所带负电荷总数。

一、离子反应方程式中的电荷守恒

1.用电荷守恒判断反应物或生成物

例1.利用变化是加强酸（H+）还是加强碱（OH-）来实现：

（1）使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-

（2）使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+

分析：（1）中使Al3+生成Al（OH）3或AlO2-，从电荷看由+3价变成了0价或-1价，所以加强碱（OH-）来实现，且分别加3个和4个OH-。

离子反应方程式为：Al3++3OH-=Al（OH）3Al3++4OH-=AlO2-+2H2O

（2）中使AlO2-生成Al（OH）3或Al3+，从电荷看由-1价变成了0价或+3价，所以加强酸（H+）来实现，且分别加1个和4个H+。

离子反应方程式为：AlO2-+H++H2O=Al（OH）3AlO2-+4H+=Al3++ 2H2O

例2.HCO3-分别和强酸（H+）、强碱（OH-）反应的产物是什么？

分析：HCO3-和强酸（H+）反应电荷数一正一负，所以产物生成0价的可能性更大。离子反应方程式为：HCO3-+H+=CO2↑+H2O

HCO3-和强碱（OH-）反应电荷数为-2，则生成物中必有负电荷数的物质CO32-，不可能都生成电荷数为0的CO2和H2O。

离子反应方程式为：HCO3-+OH-=CO32-+H2O

2.用电荷守恒配平离子反应方程式

例3.KMnO4溶液分别在酸性和碱性条件下氧化H2O2

分析：（1）用得失电子守恒配平：

2MnO4-+5H2O2——2Mn2++5O2↑（酸性）

2MnO4-+3H2O2——2MnO2+3O2↑（碱性）

（2）酸性溶液时反应式两边补加H+和H2O，反应物电荷数为-2，生成物电荷数为+4，所以应在反应物加6H+，再根据质量守恒，确定H2O的系数。

离子反应方程式为：2MnO4-+5H2O2+6H+=2Mn2++5O2↑+8H2O

（3）碱性溶液时反应式两边补加OH-和H2O，反应物电荷数为-2，生成物电荷数为0，所以应在生成物加2OH-，再根据质量守恒，确定H2O的系数。

离子反应方程式为：2MnO4-+3H2O2=2MnO2+3O2↑+2OH-+ 2H2O

3.用电荷守恒配平电极反应式

例4.甲烷燃料电池在不同介质中的电极反应式

（1）碱性介质（OH-和H2O）下的甲烷燃料电池

根据得失电子守恒：

负极：CH4-8e-——CO32-根据电荷守恒：左边电荷数为+8，右边电荷数为-2，所以左边应补充10OH-

正极：2O2+8e-——根据电荷守恒：左边电荷数为-8，右边应补充8OH-

所以电极反应式为：

负极：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O

正极：2O2+8e-+4H2O=8OH-

（2）酸性介质（H+和H2O）下的甲烷燃料电池

根据得失电子守恒：

负极：CH4-8e-——CO2根据电荷守恒右边应补充8H+

正极：2O2+8e-——根据电荷守恒左边应补充8H+

所以电极反应式为：

负极：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

正极：2O2+8e-+8H+=4H2O

（3）熔融碳酸盐介质（CO32-和CO2）下的甲烷燃料电池

根据得失电子守恒：

负极：CH4-8e-——CO2根据电荷守恒左边应补充4CO32-

正极：2O2+8e-——根据电荷守恒右边应补充4CO32-

所以电极反应式为：

负极：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O

正极：2O2+8e-+4CO2=4CO32-

（4）熔融金属氧化物介质（O2-）下的甲烷燃料电池

根据得失电子守恒：

负极：CH4-8e-——CO2根据电荷守恒左边应补充4O2-

正极：2O2+8e-——根据电荷守恒右边应补充4O2-

所以电极反应式为：

负极：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O

正极：2O2+8e-=4O2-

4.用电荷守恒判断阴、阳离子的运动方向和正、负电极附近的酸碱性

例5.Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是

A.Mg电极是该电池的正极

B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正极移动

分析：活动金属（Mg）或燃料（H2、CH4等）做电源的负极，失去电子被氧化，发生氧化反应。不活动金属、非金属（石墨等）做电源的正极，得到电子被还原，发生还原反应。

题中A选项错，Mg电极是该电池的负极；B选项错，H2O2在石墨电极上发生还原反应。

电子是由电源的负极流向正极，从电荷来看，负极由于电子流出负电荷减少，正极的负电荷增多。如果是电解质的水溶液，当正极（氧化剂有氧元素参与反应）负电荷增多时表现在带负电荷的OH-增多，即pH增大，同样，负极的pH减小。

题中C选项正确，石墨电极（正极）附近溶液的pH增大。

但电荷总是守恒的，为了平衡电荷数，电解质溶液中阳离子应向负电荷多的正极移动，阴离子向负电荷少的负极移动。

即：从负极看，流出带一个负电荷的电子，就应流入带一个负电荷的阴离子或也流出带一个正电荷的阳离子；从正极看，流入带一个负电荷的电子，就应流出带一个负电荷的阴离子或也流入带一个正电荷的阳离子。

题中的D选项错，溶液中Cl-应向负极移动。

二、溶液呈电中性

溶液中的电荷守恒是指溶液中所有阳离子所带的正电荷总数与所有阴离子所带的负电荷总数相等。

例6.写出含有c（Na+）、c（CH3COO-）溶液中的电荷守恒和微粒浓度相对大小。

根据电荷守恒：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）

再根据电荷守恒和物质浓度大小判断微粒浓度相对大小。

c（CH3COO-）＞c（Na+）＞c（OH-）＞c（H+）我们称为”-，+，-，+”

c（Na+）＞c（CH3COO-）＞c（H+）＞c（OH-）我们称为”+，-，+，-”

类似“-，+，-，+”、“+，-，+，-”离子浓度相对大小的关系式，不符合电荷守恒，故不成立。

而类似“+，-，-，+”、“-，+，+，-”离子浓度相对大小的关系式，符合电荷守恒，能成立。如：

c（Na+）＞c（OH-）＞c（CH3COO-）＞c（H+）

（Na+）＞c（CH3COO-）＞c（OH-）＞c（H+）

c（CH3COO-）＞c（Na+）＞c（H+）＞c（OH-）

c（CH3COO-）＞c（H+）＞（Na+）＞c（OH-）

如何比较相对大小，可用以下方法：

（1）对于一个单一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COOH溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等体积混合溶液），当溶液呈酸性时，离子浓度最小的是c（OH-），根据电荷守恒，则离子浓度最大的是c（CH3COO-）。对于c（Na+）、c（H+）的相对大小，常规c（Na+）＞c（H+）（如：0.1mol·L-1CH3COOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa等体积混合溶液），但当CH3COONa的浓度相当小时，也有c（H+）＞（Na+）的情况发生。

（2）对于一个单一的溶液（如0.1mol·L-1CH3COONa溶液）和混合溶液（如：0.1mol·L-1NaOH溶液和0.1mol·L-1CH3COONa混合溶液），当溶液呈碱性时，离子浓度最小的是c（H+），根据电荷守恒，则离子浓度最大的是c（Na+）。对于c（CH3COO-）、c（OH-）的相对大小，如是CH3COONa溶液，则有c（CH3COO-）＞c（OH-）；如是NaOH溶液和CH3COONa混合溶液，则也有可能c（OH-）＞c（CH3COO-）。

张晓华.巧用“电荷守恒法”解化学计算题［J］.辽宁师专学报：自然科学版，2013（2）.

·编辑杨国蓉