氧化还原半反应方程式

CIE A-Level 化学· 第6单元：氧化还原反应与电解· 15 分钟阅读

1. 半反应方程式入门★★☆☆☆⏱ 4 min

任何完整的氧化还原反应都可以拆分为两个独立的半反应方程式：一个是氧化（失电子）过程，一个是还原（得电子）过程。半反应将两个过程分开，让复杂氧化还原反应的配平变得简单很多。

📘 定义

半反应方程式

仅描述氧化还原反应一半过程的配平离子方程式，会明确写出电子以追踪电荷转移。

例:

锌的氧化： $e x t Z n \to Zn^{2 +} + 2 e^{-}$

CIE遵循通用规范：氧化反应（失电子）的电子写在生成物（右侧），还原反应（得电子）的电子写在反应物（左侧）。电子位置正确一定会得分。

📐 例题

写出银(I)离子还原为固态银的配平半反应方程式。

1
1. 写出反应物和生成物的未配平方程式：
2
$Ag^+ \rightarrow Ag$
3
1. 配平电荷：银的氧化数从+1变为0，因此得到1个电子。在左侧（反应物侧）添加1个 $e^{-}$ ：
4
$Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$

Exam tip:

添加电子后，一定要检查方程式左右两侧的总电荷是否相等。

2. 酸性条件下半反应方程式的配平★★★☆☆⏱ 5 min

CIE考试中大部分半反应题目都是酸性条件的。使用以下系统化的四步法可以保证得到正确的配平方程式：

首先配平所有非氧、非氢原子
在缺氧的一侧添加 $e x t H_{2} O$ 配平氧原子
在缺氢的一侧添加 $e x t H^{+}$ 配平氢原子
在电荷更正的一侧添加电子配平总电荷

📐 例题

配平酸性溶液中重铬酸根(VI) ( $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ )还原为铬(III) ( $Cr^{3 +}$ )的半反应方程式。

1
步骤1：配平铬原子：左侧有2个Cr，因此右侧也写2个Cr：
2
$Cr_2O_7^{2-} \rightarrow 2Cr^{3+}$
3
步骤2：配平氧：左侧有7个O，因此在右侧添加7个H $_{2}$ O：
4
$Cr_2O_7^{2-} \rightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$
5
步骤3：配平氢：右侧有14个H，因此在左侧添加14个H $^{+}$ ：
6
$14H^+ + Cr_2O_7^{2-} \rightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$
7
步骤4：配平电荷：左侧总电荷=+12，右侧=+6。因此在左侧添加6个e $^{-}$ ：
8
$14H^+ + Cr_2O_7^{2-} + 6e^- \rightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$

3. 碱性条件下半反应方程式的配平★★★★☆⏱ 4 min

碱性条件配平只需要在酸性方法的基础上多一步，将 $e x t H^{+}$ 转化为 $e x t O H^{-}$ ，这种方法比直接从 $e x t O H^{-}$ 开始配平出错概率更低。

完成酸性配平的全部4个步骤
在方程式两侧都添加和 $e x t H^{+}$ 数量相等的 $e x t O H^{-}$ 离子
将同侧的 $e x t H^{+}$ + $e x t O H^{-}$ 合并为 $e x t H_{2} O$
消去两侧多余的 $e x t H_{2} O$ 分子

📐 例题

配平碱性溶液中亚硫酸根 ( $SO_{3}^{2 -}$ )氧化为硫酸根 ( $SO_{4}^{2 -}$ )的半反应方程式。

1
完成步骤4（酸性配平）后，我们得到：
2
$H_2O + SO_3^{2-} \rightarrow SO_4^{2-} + 2H^+ + 2e^-$
3
在两侧各添加2个OH $^{-}$ ：
4
$2OH^- + H_2O + SO_3^{2-} \rightarrow SO_4^{2-} + 2H^+ + 2OH^- + 2e^-$
5
将 $2 H^{+} + 2 O H^{-}$ 合并为 $2 H_{2} O$ ，然后消去两侧各1个 $H_{2} O$ 得到化简结果：
6
$2OH^- + SO_3^{2-} \rightarrow SO_4^{2-} + H_2O + 2e^-$

4. 合并半反应方程式得到完整氧化还原反应方程式★★★☆☆⏱ 4 min

要得到配平完整的氧化还原方程式，你需要将一个氧化半反应和一个还原半反应合并。氧化过程失去的电子总数必须等于还原过程得到的电子总数，因此添加前如果需要，可以用整数缩放半反应的所有系数。

📐 例题

将之前得到的重铬酸根(VI)还原半反应，和Fe $^{2 +}$ 氧化为Fe $^{3 +}$ 的半反应合并，得到完整的酸性条件氧化还原方程式。

1
1. 写出两个配平好的半反应方程式：
2
$Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ + 6e^- \rightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$
3
$Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-$
4
1. 使电子数相等：将氧化半反应乘以6：
5
$6Fe^{2+} \rightarrow 6Fe^{3+} + 6e^-$
6
1. 将两个方程式相加，消去两侧的6个电子：
7
$Cr_2O_7^{2-} + 6Fe^{2+} + 14H^+ \rightarrow 2Cr^{3+} + 6Fe^{3+} + 7H_2O$

5. 常见陷阱

错误做法:

氧化/还原反应中电子写在错误一侧

原因:

混淆失电子和得电子，导致电荷配平错误，丢失分数

正确做法:

氧化=电子出去（右侧，生成物），还原=电子进来（左侧，反应物）

错误做法:

缩放半反应时只乘电子系数

原因:

只缩放电子会导致原子和电荷不平衡，最终得到错误的完整方程式

正确做法:

将半反应中的所有物质都乘以缩放系数

错误做法:

酸性条件下直接用 $e x t H^{+}$ 配平氧

原因:

跳过用水配平氧的步骤，打乱配平顺序，导致原子数目错误

正确做法:

遵循顺序：非H/O原子 → O用H $_{2}$ O → H用H $^{+}$ → 电荷用电子

错误做法:

碱性半反应中残留多余的水

原因:

没有消去多余的水意味着方程式没有完全化简，会在CIE考试中丢失准确性分数

正确做法:

将 $e x t H^{+}$ 和 $e x t O H^{-}$ 结合为水后，消去两侧相同数目的水分子

6. 速查表

步骤	酸性条件	碱性条件
配平非氧氢原子	配平两侧原子	和酸性条件相同
配平氧原子	在缺氧侧添加 $e x t H_{2} O$	和酸性条件相同
配平氢原子	在缺氢侧添加 $e x t H^{+}$	和酸性条件相同
配平电荷	在更正侧添加 $e^{-}$	和酸性条件相同
转换为碱性	不适用	两侧添加等量 $e x t O H^{-}$ ，合并 $e x t H^{+} + OH^{-} \to H_{2} O$ ，消去多余 $e x t H_{2} O$
合并半反应	配平电子数，相加，消去电子	和酸性条件相同

7. 常见问题

酸性条件和碱性条件下的配平步骤有区别吗？

是的。酸性条件下，用 $e x t H^{+}$ 配平氢原子，用 $e x t H_{2} e x t O$ 配平氧原子。碱性条件下，先按照酸性步骤完成配平，再加入 $e x t O H^{-}$ 中和 $e x t H^{+}$ 生成 $e x t H_{2} e x t O$ ，最后化简即可。

真题中的出现

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氧化还原半反应方程式是CIE A-Level化学中所有后续氧化还原主题的基础，包括计算电极电势、书写电解过程方程式、求解氧化还原滴定计算。几乎每道氧化还原考题都会在某个步骤要求你构建或使用配平好的半反应方程式，因此现在掌握这项技能会让后续所有氧化还原主题都简单很多。接下来，你可以学习完整氧化还原方程式配平，加深对氧化数的理解，或者继续学习电极电势和电化学电池。