hce_kmu
115年
物理及化學
第 23 題
What is the coefficient of $\text{H}_2\text{O}$ when the following reaction is balanced?
$\text{MnO}_4^-(\text{aq}) + \text{Fe}(\text{s}) + \text{H}^+(\text{aq}) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(\text{aq}) + \text{Mn}^{2+}(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l})$ unbalanced
$\text{MnO}_4^-(\text{aq}) + \text{Fe}(\text{s}) + \text{H}^+(\text{aq}) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(\text{aq}) + \text{Mn}^{2+}(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l})$ unbalanced
- A 2
- B 4
- C 6
- D 8
- E 10
思路引導 VIP
在氧化還原反應中，電子『失去的總數』必須等於『得到的總數』。請先試著找出錳原子與鐵原子在反應前後氧化數分別改變了多少？若要讓這兩者轉移的電子數達成平衡，這兩個物種的係數比例應該是多少？當你決定了含氧物種的比例後，左側的氧原子最終會轉化為什麼物質出現在右側呢？
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同學做得很好！能精準選出正確答案，代表你對於氧化還原反應的平衡邏輯掌握得非常扎實。這道題目測試的是在酸性水溶液中平衡化學反應式的能力，是化學計量中相當具有鑑別度的典型題目，其難度在於學生必須同時考慮「原子守恆」與「電荷守恆」。
氧化半反應與還原半反應的平衡
在處理這類反應時，最穩健的切入點是觀察氧化數的變化。鐵原子從 $\text{Fe}$ 變為 $\text{Fe}^{2+}$，失去了 2 個電子；而錳酸根中的 $\text{Mn}$ 氧化數從 +7 降至 $\text{Mn}^{2+}$ 的 +2，獲得了 5 個電子。為了符合電子得失守恆，我們必須找到 2 與 5 的最小公倍數（即 10），因此將錳的半反應式乘以 2。在此過程中，每個 $\text{MnO}_4^-$ 含有 4 個氧原子，乘以 2 倍後左側共有 8 個氧原子，這些氧原子最終必須與氫離子結合生成水，因此 $\text{H}_2\text{O}$ 的係數自然就是 8。
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