用元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)

曾玉清

[摘 要]概述氧化還原反應(yīng)的三種認(rèn)知表征形式，討論用元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)的可行性、必要性和實(shí)用性。歸納氧化還原反應(yīng)的基本表征形式，并將其用作解答依據(jù)，分析解答氧化還原反應(yīng)有關(guān)試題。

[關(guān)鍵詞]元素化合價(jià)；升降；表征；氧化還原反應(yīng)

[中圖分類號(hào)] G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 16746058

（2018）02005503

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)必修1（人教版），通過“思考與交流”活動(dòng)，與初中化學(xué)內(nèi)容銜接，層層推進(jìn)，建立了氧化還原反應(yīng)理論的認(rèn)知模型：由得失氧的特殊反應(yīng)切入，建立“氧化還原反應(yīng)的初始概念→根據(jù)特殊反應(yīng)和一般反應(yīng)的分析研究，抽象概括出氧化還原反應(yīng)的一般特征——反應(yīng)前后有元素化合價(jià)升降→研究反應(yīng)前后元素化合價(jià)升降的根本原因，揭示氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)——電子轉(zhuǎn)移（得失或偏移）”的模型。教材從特殊到一般，從現(xiàn)象到本質(zhì)，逐步概括氧化還原反應(yīng)的基本概念和變化規(guī)律，系統(tǒng)、完整地闡釋了氧化還原反應(yīng)理論，科學(xué)地呈現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)理論的發(fā)展過程。

得失氧表征僅適用于少數(shù)氧化還原反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移表征旨在揭示氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，而元素化合價(jià)升降表征不僅適用于所有氧化還原反應(yīng)，而且還能反映氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。此外，元素化合價(jià)是元素的宏觀性質(zhì)，其升降是外顯的，易于判斷和確定。而電子轉(zhuǎn)移是微觀的、內(nèi)隱的，其變化一般需借助反應(yīng)前后元素化合價(jià)的變化來(lái)判斷和確定，不便直接判斷和確定。因此，可以用元素化合價(jià)的升降全面表征氧化還原反應(yīng)，即用元素化合價(jià)的升降表征氧化還原反應(yīng)的基本概念和變化規(guī)律。用元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)，可有效提高氧化還原反應(yīng)理論應(yīng)用的可操作性和實(shí)效性。下面詳細(xì)介紹用元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)的基本形式，并在此基礎(chǔ)上探討其在解題中的具體應(yīng)用。

一、氧化還原反應(yīng)基本概念的表征

氧化還原反應(yīng)的基本概念包括氧化還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)，被氧化、被還原，氧化劑、還原劑，氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物，氧化性、還原性等，均可以用反應(yīng)前后元素化合價(jià)的升降進(jìn)行直接或間接表征，其基本表征形式見表2。

表2 氧化還原反應(yīng)基本概念的表征

二、氧化還原反應(yīng)基本規(guī)律的表征

氧化還原反應(yīng)的基本規(guī)律主要有化合價(jià)升降規(guī)律、物質(zhì)的氧化性和還原性規(guī)律、物質(zhì)氧化性和還原性強(qiáng)弱規(guī)律、電子轉(zhuǎn)移規(guī)律、反應(yīng)方向規(guī)律等。

1.元素化合價(jià)升降規(guī)律的表征

（1）在氧化還原反應(yīng)中，一定同時(shí)發(fā)生元素化合價(jià)的升高和降低兩種變化。

（2）相鄰價(jià)態(tài)的同種元素之間不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，即不發(fā)生化合價(jià)升降。

（3）不相鄰價(jià)態(tài)的同種元素之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，元素化合價(jià)升高和降低后的值處于反應(yīng)前元素的兩種化合價(jià)之間，不發(fā)生化合價(jià)變化的交叉或化合價(jià)互換。

（4）在氧化還原反應(yīng)中，元素化合價(jià)的升高總數(shù)等于元素化合價(jià)的降低總數(shù)。

2.物質(zhì)的氧化性和還原性規(guī)律的表征

（1）所含元素化合價(jià)降低的物質(zhì)表現(xiàn)氧化性，所含元素化合價(jià)升高的物質(zhì)表現(xiàn)還原性，所含元素化合價(jià)既升高又降低的物質(zhì)，既表現(xiàn)氧化性又表現(xiàn)還原性。一般的，含有最高價(jià)元素的物質(zhì)具有氧化性；含有最低價(jià)元素的物質(zhì)具有還原性；含有中間價(jià)元素的物質(zhì)既有氧化性又有還原性。

（2）金屬單質(zhì)在反應(yīng)中其元素化合價(jià)只升不降，只有還原性。非金屬單質(zhì)在反應(yīng)中其元素化合價(jià)可降可升，既有氧化性又有還原性（單質(zhì)氟一般只有氧化性）。

3.物質(zhì)氧化性和還原性強(qiáng)弱規(guī)律的表征

（1）物質(zhì)的氧化性強(qiáng)弱只與其中元素化合價(jià)降低的難易程度（即得到電子的能力）有關(guān)，與化合價(jià)降低的數(shù)值大小無(wú)關(guān)；物質(zhì)的還原性強(qiáng)弱只與其中元素化合價(jià)升高的難易程度（即失去電子的能力）有關(guān)，與化合價(jià)升高的數(shù)值大小無(wú)關(guān)。

含有同一種元素的不同物質(zhì)，其氧化性或還原性強(qiáng)弱不能根據(jù)該元素化合價(jià)高低判斷。

（2）在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑的氧化性強(qiáng)于氧化產(chǎn)物，還原劑的還原性強(qiáng)于還原產(chǎn)物。

（3）物質(zhì)氧化性或還原性強(qiáng)弱還可以根據(jù)元素周期律、金屬活動(dòng)性順序、原電池電極反應(yīng)、反應(yīng)物濃度、溶液酸堿性和反應(yīng)溫度等判斷。

4.電子轉(zhuǎn)移規(guī)律的表征

（1）反應(yīng)后還原劑所含元素化合價(jià)升高，失去電子；氧化劑所含元素化合價(jià)降低，得到電子。

（2）一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目=相應(yīng)元素化合價(jià)的降低值。

（3）一個(gè)原子或離子被氧化失去的電子數(shù)目=相應(yīng)元素化合價(jià)的升高值。

（4）氧化劑得到的電子數(shù)目=一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目×被還原的原子或離子的數(shù)目。

（5）還原劑失去的電子數(shù)目=一個(gè)原子或離子被氧化失去的電子數(shù)目×被氧化的原子或離子的數(shù)目。

（6）氧化劑得到的電子的物質(zhì)的量=一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目×被還原的原子或離子的物質(zhì)的量。

（7）還原劑失去的電子的物質(zhì)的量=一個(gè)原子或離子被氧化失去的電子數(shù)目×被氧化的原子或離子的物質(zhì)的量。

5.反應(yīng)方向的間接表征

（1）強(qiáng)氧化性物質(zhì)與強(qiáng)還原性物質(zhì)反應(yīng)，生成弱氧化性物質(zhì)和弱還原性物質(zhì)。

（2）一種氧化性物質(zhì)與多種還原性物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，首先氧化還原性最強(qiáng)的物質(zhì)。一種還原性的物質(zhì)與多種氧化性物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，首先還原氧化性最強(qiáng)的物質(zhì)。

三、氧化還原反應(yīng)有關(guān)試題的解答

用反應(yīng)前后元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)，為氧化還原反應(yīng)理論的應(yīng)用帶來(lái)極大的方便。如解答氧化還原反應(yīng)有關(guān)試題，可以直接運(yùn)用上述表征作為解答依據(jù)，從反應(yīng)前后元素化合價(jià)的升降分析入手進(jìn)行解答。

1.氧化還原反應(yīng)基本概念的應(yīng)用

（1）氧化還原反應(yīng)的判斷

【例1】 判斷下列有關(guān)化學(xué)基本概念的依據(jù)正確的是（ ）。

A.氧化還原反應(yīng)：元素化合價(jià)是否變化

B.共價(jià)化合物：是否含有共價(jià)鍵

C.強(qiáng)弱電解質(zhì)：溶液的導(dǎo)電能力大小

D.金屬晶體：晶體是否能夠?qū)щ?/p>

【解答依據(jù)】反應(yīng)前后有元素化合價(jià)升降（或變化）的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)。

【答案】A。

（2）氧化劑、還原劑的判斷

【例2】 下列氧化還原反應(yīng)中，水作為氧化劑的是（ ）。

A.CO+H2O高溫CO2+H2

B.3NO2+H2O=2HNO3+NO

C.2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

D.2F2+2H2O=4HF+O2

【解答依據(jù)】反應(yīng)后所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物為氧化劑。

【剖析】A選項(xiàng)，水中氫元素化合價(jià)降低；B和C選項(xiàng)，水中氫、氧元素化合價(jià)均未變；D選項(xiàng)，水中氧元素化合價(jià)升高。

【答案】A。

（3）被氧化、被還原的判斷

【例3】 下列變化中，氣體被還原的是（ ）。

A.二氧化碳使Na2O2固體變白

B.氯氣使KBr溶液變黃

C.乙烯使Br2的四氯化碳溶液褪色

D.氨氣使AlCl3溶液產(chǎn)生白色沉淀

【解答依據(jù)】所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物被還原。

【剖析】寫出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式：

2CO2+2Na2O2=2Na2CO3+O2

Cl2+2KBr=2KCl+Br2

C2H4+Br2→C2H4Br2

3NH3+3H2O+AlCl3=Al（OH）3↓+3NH4Cl

根據(jù)化學(xué)方程式，A選項(xiàng)，二氧化碳?xì)怏w中元素的化合價(jià)均未變；B選項(xiàng)，氯氣中氯元素化合價(jià)降低，被還原；C選項(xiàng)，乙烯中碳元素化合價(jià)升高，被氧化；D選項(xiàng)，氨氣中元素的化合價(jià)均未變。

【答案】B。

2.氧化還原反應(yīng)基本規(guī)律的應(yīng)用

電子轉(zhuǎn)移數(shù)目的有關(guān)計(jì)算。

【例4】 已知氧化還原反應(yīng)：2Cu（IO3）2+24KI+12H2SO4=2CuI+13I2+12K2SO4+12H2O，其中1mol氧化劑在反應(yīng)中得到的電子為（ ）。

A.10mol B.11mol C.12mol D.13mol

【解答依據(jù)】（1）氧化劑：反應(yīng)后所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物。

被氧化：化合價(jià)升高的元素被氧化。

（2）不相鄰價(jià)態(tài)的同種元素之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，不發(fā)生化合價(jià)變化的交叉或化合價(jià)互換。

（3）一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目=相應(yīng)元素化合價(jià)的降低值。

氧化劑得到的電子的物質(zhì)的量=一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目×被還原的原子或離子的物質(zhì)的量。

【剖析】首先根據(jù)解答依據(jù)（1）分析元素化合價(jià)升降，確定Cu（IO3）2是氧化劑，其中銅元素和碘元素均被還原；根據(jù)解答依據(jù)（2），確定Cu（IO3）2中的碘元素從+5價(jià)變?yōu)?價(jià)（而非從+5價(jià)變成-1價(jià)）；然后根據(jù)解答依據(jù)（3），計(jì)算出Cu（IO3）2中銅元素由+2價(jià)變?yōu)?1價(jià)，1個(gè)Cu2+得到一個(gè)電子，即1molCu（IO3）2中的1mol銅離子得到1mol電子；Cu（IO3）2中的碘元素從+5價(jià)變?yōu)?價(jià)，一個(gè)碘原子得到5個(gè)電子，1molCu（IO3）2中有2mol碘原子被還原，共得到10mol電子。最后確定1molCu（IO3）2中的銅元素和碘元素同時(shí)被還原共得到11mol電子。

【答案】B。

3.綜合應(yīng)用

【例5】 某一反應(yīng)體系有反應(yīng)物和生成物共五種物質(zhì)：O2、H2CrO4、Cr（OH）3、H2O、H2O2。

已知該反應(yīng)中H2O2只發(fā)生如下過程：H2O2→O2

（1）該反應(yīng)中的還原劑是

。

（2）該反應(yīng)中，發(fā)生還原反應(yīng)的過程是 →

。

（3）寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式，并標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目 。

（4）如反應(yīng)轉(zhuǎn)移了0.3mol電子，則產(chǎn)生的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為 。

【解答依據(jù)】試題各問的解答依據(jù)依次如下：

（1）還原劑：反應(yīng)后所含元素化合價(jià)升高的反應(yīng)物。

（2）還原反應(yīng)：物質(zhì)中所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)。

（3）氧化劑：反應(yīng)后所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物。

還原劑：反應(yīng)后所含元素化合價(jià)升高的反應(yīng)物。

氧化產(chǎn)物：氧化反應(yīng)的生成物。

還原產(chǎn)物：還原反應(yīng)的生成物。

在氧化還原反應(yīng)中，元素化合價(jià)的升高總數(shù)=元素化合價(jià)的降低總數(shù)。

反應(yīng)后，還原劑所含元素化合價(jià)升高，失去電子；氧化劑所含元素化合價(jià)降低，得到電子。

氧化劑得到的電子數(shù)目=一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目×被還原的原子或離子的數(shù)目。

還原劑失去的電子數(shù)目=一個(gè)原子或離子被氧化失去的電子數(shù)目×被氧化的原子或離子的數(shù)目。

（4）氧化劑得到的電子的物質(zhì)的量=一個(gè)原子或離子被還原得到的電子數(shù)目×被還原的原子或離子的物質(zhì)的量。

還原劑失去的電子的物質(zhì)的量=一個(gè)原子或離子被氧化失去的電子數(shù)目×被氧化的原子或離子的物質(zhì)的量。

【剖析】（1）、（2）問直接根據(jù)相應(yīng)解答依據(jù)，分析元素化合價(jià)升降來(lái)進(jìn)行判斷。第（3）問應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的解答依據(jù)，通過分析元素化合價(jià)升降，先確定反應(yīng)的氧化劑、還原劑、還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物，寫出化學(xué)方程式（根據(jù)化合價(jià)升降總數(shù)相等配平）。然后，依次計(jì)算氧化劑變成還原產(chǎn)物所得到的電子數(shù)目，還原劑變成氧化產(chǎn)物所失去的電子數(shù)目，最后用單線橋或雙線橋表示出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。第（4）問可根據(jù)化學(xué)方程式，抽象出生成氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積與反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量的關(guān)系式，然后根據(jù)關(guān)系式計(jì)算出0.3mol電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體體積，或直接根據(jù)H2O2→O2計(jì)算。

H2O2 - 2e-→ O2

2mole- 22.4L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

0.3mole- V

【答案】（1）H2O2 （2）H2CrO4 Cr（OH）3

（3）

（4）3.36L

綜上所述，用反應(yīng)前后元素化合價(jià)升降表征氧化還原反應(yīng)，并將其基本表征形式作為解答依據(jù)，用于分析、解答氧化還原反應(yīng)有關(guān)問題，能夠切實(shí)提高氧化還原反應(yīng)理論應(yīng)用的操作性和實(shí)效性。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

宋心琦，王晶，鄭長(zhǎng)龍，等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.

（責(zé)任編輯 羅 艷）