在中職教育的基礎化學和分析化學中,“氧化還原反應及其配平”、“氧化還原平衡”占有非常重要的地位,理解與否直接影響到分析滴定中的氧化還原滴定法的學習。很多學生由于初中所學的有關氧化還原方面的知識基礎比較薄弱,對氧化還原反應中的基本概念如氧化劑、還原劑、被氧化、被還原、電子轉移的方向和數量等容易混亂。首先,要讓學生理解氧化還原反應并非只限定初中所定義的得氧和失氧的反應,許多根本沒有氧參加的反應也是氧化還原反應。現在我們就從元素化合價升降的角度和電子得失轉移方向來探討氧化還原反應的本質及一些基本概念的內在關聯。
一、氧化還原反應的特征
讓我們來分析如下幾個氧化還原反應的例子,分析元素化合價升高降低與電子的得失轉移的內在關系。
反應(4)的特點是反應物中多個原子發生氧化還原反應,并且被氧化還原的原子分別分布在不同的反應物中。反應(4)和反應(3)不同,反應(3)雖然有兩種反應物,但氧化劑和還原劑都是同一種物質,被氧化被還原的都是同一種原子。而反應(4)中的三種反應物都參與氧化還原反應。單質硫和KNO3都是氧化劑,只有C是還原劑。
根據以上分析得知,氧化還原反應的本質是由于原子間的電子發生轉移,使得元素原子的化合價發生變化,從而形成氧化還原反應。
三、“得氧失還一相反”七字口訣的產生與剖析
從以上四個典型的氧化還原反應的電子轉移和化合價變化分析得知,處于高價態的元素原子容易得到電子變成低價態的元素原子,發生還原反應,這種高價態所屬的物質往往是氧化劑。相反,處于低價態的元素原子容易失去電子變成高價態的元素原子,發生氧化反應,這種低價態所屬的物質往往是還原劑。
那么“得氧失還一相反”的含義是什么呢?
“得氧”指的是得到電子的物質是氧化劑;
“失還”指的是失去電子的物質是還原劑;
“一相反”指的是來一個“相反”。氧化劑發生還原反應(被還原);還原劑發生氧化反應(被氧化)。
七字口訣的應用關鍵是找出反應物中處于高價態的元素原子和處于低價態的元素原子,再根據反應物的常規性質判斷出誰有可能得到電子和失去電子,生成何種價態的氧化產物和還原產物,從而判斷出氧化還原反應的發生和確定氧化劑、還原劑、氧化反應、還原反應以及發生氧化還原反應的元素原子間的失電子數目的多少。
同時七字口訣還可避免被學生認為氧化劑具有氧化性能發生氧化反應,還原劑具有還原性能發生還原反應的誤解。
氧化還原反應中的氧化劑和還原劑,以及氧化反應(被氧化)、還原反應(被還原)等基本概念容易混亂,歸納出這七字口訣有利于學生初學時,容易分辨出反應物中哪些元素原子發生氧化反應,哪些元素原子發生還原反應,計算出價態變化數量多少,并且判斷反應物中哪些是氧化劑和還原劑。同時通過分析元素原子電子轉移的方向和數量,進一步配平氧化還原反應離子式,有助于學生學習氧化還原平衡及氧化還原滴定法。
四、“得氧失還一相反”的七字口訣在氧化還原反應中的應用
1.氧化劑、還原劑、氧化反應、還原反應的范疇
氧化劑、還原劑指的是反應物中的一種物質,而不是某一種元素或某一個原子、離子。氧化劑和還原劑在同一個反應式的反應物中同時存在,某一反應不可能只存在氧化劑(還原劑)而無還原劑(氧化劑)。
氧化反應(被氧化)、還原反應(被還原)可以指反應物中的一種物質,也可以指反應物中的某一種元素或反應物中的某一種原子、離子發生的反應。在同一反應式中氧化反應與還原反應也是同時存在的,不可某一反應只有氧化反應(還原反應)而無還原反應(氧化反應)。
2.物質守恒規律
在氧化還原反應中,元素的化合價有升必有降,電子有得必有失。對于一個完整的氧化還原反應,化合價升高總數與降低總數相等,失電子總數與得電子總數相等。此外,反應前后的元素原子個數、物質質量也都守恒。守恒定律的應用非常廣泛,如用于氧化還原反應式的配平以及相關計算。
3.元素原子的價態規律
元素原子處于最高價時,只有氧化性;元素原子處于最低價時,只有還原性;元素原子處于中間價態,既有氧化性又有還原性(雙重性)。SO2-3遇到強氧化性的MnO-4時,表現出還原性;遇到只有還原性的I-時,表現出氧化性。物質若含有多種元素,有某一種元素的最高價態又有其他元素的最低價態,其性質是這些元素性質的綜合體現。如:KMnO4有最高價態的Mn原子和最低價態的O原子,在KMnO4制備氧氣的反應式中既有氧化性又有還原性,既是氧化劑又是還原劑。
4.氧化劑和還原劑氧化還原性的強弱規律
還原性越強的物質越容易失去電子,但失去電子后的物質就越難得到電子;氧化性越強的物質越容易得到電子,但得到電子后的物質就越難失去電子。
較強氧化性的氧化劑跟較強還原性的還原劑反應,生成弱還原性的還原產物和弱氧化性的氧化產物。弱氧化性的物質和弱還原性的物質不可能發生氧化還原反應生成強氧化性和強還原性的物質。
5.分子的歧化規律
同一種物質分子內同一種元素同一價態的原子(或離子)發生電子轉移的氧化還原反應叫歧化反應。歧化反應的特點:某元素的中間價態在適宜條件下同時向較高和較低的價態轉化,如:Cl2與H2O(或與NaOH溶液)反應。歧化反應是自身氧化還原反應。
通過“得氧失還一相反”七字口訣可以判斷氧化還原反應中反應物氧化性、還原性的強弱,氧化還原反應是否能夠發生;以及分析氧化產物和還原產物的元素原子的價態;可以確定氧化劑、還原劑、氧化反應、還原反應;可以計算出發生氧化還原的電子轉移數量,進一步配平氧化還原反應式,對進行氧化還原滴定分析也有積極的意義。總的來說,氧化還原反應的“得氧失還一相反”七字口訣是我們學習有關氧化還原反應的一系列理論的基礎。充分理解應用該口訣,不僅可以事半功倍地掌握氧化還原理論,它還是我們以后學習氧化還原平衡和氧化還原滴定理論的基礎與技巧。
(責任編輯羅艷)