用元素化合價升降表征氧化還原反應

曾玉清

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

[關鍵詞]元素化合價；升降；表征；氧化還原反應

[中圖分類號] G633.8 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058

（2018）02005503

普通高中課程標準實驗教科書化學必修1（人教版），通過“思考與交流”活動，與初中化學內容銜接，層層推進，建立了氧化還原反應理論的認知模型：由得失氧的特殊反應切入，建立“氧化還原反應的初始概念→根據特殊反應和一般反應的分析研究，抽象概括出氧化還原反應的一般特征——反應前后有元素化合價升降→研究反應前后元素化合價升降的根本原因，揭示氧化還原反應的本質——電子轉移（得失或偏移）”的模型。教材從特殊到一般，從現象到本質，逐步概括氧化還原反應的基本概念和變化規律，系統、完整地闡釋了氧化還原反應理論，科學地呈現了氧化還原反應理論的發展過程。

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

一、氧化還原反應基本概念的表征

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

表2 氧化還原反應基本概念的表征

二、氧化還原反應基本規律的表征

氧化還原反應的基本規律主要有化合價升降規律、物質的氧化性和還原性規律、物質氧化性和還原性強弱規律、電子轉移規律、反應方向規律等。

1.元素化合價升降規律的表征

（1）在氧化還原反應中，一定同時發生元素化合價的升高和降低兩種變化。

（2）相鄰價態的同種元素之間不發生氧化還原反應，即不發生化合價升降。

（3）不相鄰價態的同種元素之間發生氧化還原反應，元素化合價升高和降低后的值處于反應前元素的兩種化合價之間，不發生化合價變化的交叉或化合價互換。

（4）在氧化還原反應中，元素化合價的升高總數等于元素化合價的降低總數。

2.物質的氧化性和還原性規律的表征

（1）所含元素化合價降低的物質表現氧化性，所含元素化合價升高的物質表現還原性，所含元素化合價既升高又降低的物質，既表現氧化性又表現還原性。一般的，含有最高價元素的物質具有氧化性；含有最低價元素的物質具有還原性；含有中間價元素的物質既有氧化性又有還原性。

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

3.物質氧化性和還原性強弱規律的表征

（1）物質的氧化性強弱只與其中元素化合價降低的難易程度（即得到電子的能力）有關，與化合價降低的數值大小無關；物質的還原性強弱只與其中元素化合價升高的難易程度（即失去電子的能力）有關，與化合價升高的數值大小無關。

含有同一種元素的不同物質，其氧化性或還原性強弱不能根據該元素化合價高低判斷。

（2）在氧化還原反應中，氧化劑的氧化性強于氧化產物，還原劑的還原性強于還原產物。

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

4.電子轉移規律的表征

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

（2）一個原子或離子被還原得到的電子數目=相應元素化合價的降低值。

（3）一個原子或離子被氧化失去的電子數目=相應元素化合價的升高值。

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

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

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

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

5.反應方向的間接表征

（1）強氧化性物質與強還原性物質反應，生成弱氧化性物質和弱還原性物質。

（2）一種氧化性物質與多種還原性物質反應時，首先氧化還原性最強的物質。一種還原性的物質與多種氧化性物質反應時，首先還原氧化性最強的物質。

三、氧化還原反應有關試題的解答

用反應前后元素化合價升降表征氧化還原反應，為氧化還原反應理論的應用帶來極大的方便。如解答氧化還原反應有關試題，可以直接運用上述表征作為解答依據，從反應前后元素化合價的升降分析入手進行解答。

1.氧化還原反應基本概念的應用

（1）氧化還原反應的判斷

【例1】 判斷下列有關化學基本概念的依據正確的是（ ）。

A.氧化還原反應：元素化合價是否變化

B.共價化合物：是否含有共價鍵

C.強弱電解質：溶液的導電能力大小

D.金屬晶體：晶體是否能夠導電

【解答依據】反應前后有元素化合價升降（或變化）的反應是氧化還原反應。

【答案】A。

（2）氧化劑、還原劑的判斷

【例2】 下列氧化還原反應中，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】反應后所含元素化合價降低的反應物為氧化劑。

【剖析】A選項，水中氫元素化合價降低；B和C選項，水中氫、氧元素化合價均未變；D選項，水中氧元素化合價升高。

【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溶液產生白色沉淀

【解答依據】所含元素化合價降低的反應物被還原。

【剖析】寫出有關反應的化學方程式：

2CO2+2Na2O2=2Na2CO3+O2

Cl2+2KBr=2KCl+Br2

C2H4+Br2→C2H4Br2

3NH3+3H2O+AlCl3=Al（OH）3↓+3NH4Cl

根據化學方程式，A選項，二氧化碳氣體中元素的化合價均未變；B選項，氯氣中氯元素化合價降低，被還原；C選項，乙烯中碳元素化合價升高，被氧化；D選項，氨氣中元素的化合價均未變。

【答案】B。

2.氧化還原反應基本規律的應用

電子轉移數目的有關計算。

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

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

【解答依據】（1）氧化劑：反應后所含元素化合價降低的反應物。

被氧化：化合價升高的元素被氧化。

（2）不相鄰價態的同種元素之間發生氧化還原反應，不發生化合價變化的交叉或化合價互換。

（3）一個原子或離子被還原得到的電子數目=相應元素化合價的降低值。

氧化劑得到的電子的物質的量=一個原子或離子被還原得到的電子數目×被還原的原子或離子的物質的量。

【剖析】首先根據解答依據（1）分析元素化合價升降，確定Cu（IO3）2是氧化劑，其中銅元素和碘元素均被還原；根據解答依據（2），確定Cu（IO3）2中的碘元素從+5價變為0價（而非從+5價變成-1價）；然后根據解答依據（3），計算出Cu（IO3）2中銅元素由+2價變為+1價，1個Cu2+得到一個電子，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價變為0價，一個碘原子得到5個電子，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被還原共得到11mol電子。

【答案】B。

3.綜合應用

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

已知該反應中H2O2只發生如下過程：H2O2→O2

（1）該反應中的還原劑是

。

（2）該反應中，發生還原反應的過程是 →

。

（3）寫出該反應的化學方程式，并標出電子轉移的方向和數目 。

（4）如反應轉移了0.3mol電子，則產生的氣體在標準狀況下的體積為 。

【解答依據】試題各問的解答依據依次如下：

（1）還原劑：反應后所含元素化合價升高的反應物。

（2）還原反應：物質中所含元素化合價降低的反應。

（3）氧化劑：反應后所含元素化合價降低的反應物。

還原劑：反應后所含元素化合價升高的反應物。

氧化產物：氧化反應的生成物。

還原產物：還原反應的生成物。

在氧化還原反應中，元素化合價的升高總數=元素化合價的降低總數。

反應后，還原劑所含元素化合價升高，失去電子；氧化劑所含元素化合價降低，得到電子。

氧化劑得到的電子數目=一個原子或離子被還原得到的電子數目×被還原的原子或離子的數目。

還原劑失去的電子數目=一個原子或離子被氧化失去的電子數目×被氧化的原子或離子的數目。

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

還原劑失去的電子的物質的量=一個原子或離子被氧化失去的電子數目×被氧化的原子或離子的物質的量。

【剖析】（1）、（2）問直接根據相應解答依據，分析元素化合價升降來進行判斷。第（3）問應根據相應的解答依據，通過分析元素化合價升降，先確定反應的氧化劑、還原劑、還原產物和氧化產物，寫出化學方程式（根據化合價升降總數相等配平）。然后，依次計算氧化劑變成還原產物所得到的電子數目，還原劑變成氧化產物所失去的電子數目，最后用單線橋或雙線橋表示出電子轉移的方向和數目。第（4）問可根據化學方程式，抽象出生成氣體在標準狀況下的體積與反應轉移電子的物質的量的關系式，然后根據關系式計算出0.3mol電子轉移反應所產生的氣體體積，或直接根據H2O2→O2計算。

H2O2 - 2e-→ O2

2mole- 22.4L（標準狀況）

0.3mole- V

【答案】（1）H2O2 （2）H2CrO4 Cr（OH）3

（3）

（4）3.36L

綜上所述，用反應前后元素化合價升降表征氧化還原反應，并將其基本表征形式作為解答依據，用于分析、解答氧化還原反應有關問題，能夠切實提高氧化還原反應理論應用的操作性和實效性。

[ 參 考 文 獻 ]

宋心琦，王晶，鄭長龍，等.普通高中課程標準實驗教科書化學必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.

（責任編輯 羅 艷）