氧化還原反應(yīng)的規(guī)律及其應(yīng)用

文章編號:1005-6629(2010)10-0072-04 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)重要的知識點，它與元素化合物、離子反應(yīng)、有機(jī)化學(xué)、電化學(xué)等都有較強(qiáng)的聯(lián)系，也是每年高考必考的重點內(nèi)容。學(xué)好氧化還原反應(yīng)，必須掌握氧化還原反應(yīng)的幾大規(guī)律及其應(yīng)用。

1關(guān)系律

(1) 氧化還原反應(yīng)中存在幾組概念，如氧化劑與還原劑、氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物、被氧化與被還原等，它們之間存在一定的關(guān)系:

化合價降低→得電子→氧化劑→有氧化性→被還原→發(fā)生還原反應(yīng)→還原產(chǎn)物

化合價升高→失電子→還原劑→有還原性→被氧化→發(fā)生氧化反應(yīng)→氧化產(chǎn)物

總結(jié)為8個字:得低還氧，失高氧還。

應(yīng)用:判斷氧化劑與還原劑、氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物等。

例1.(2009上海·7)在下列變化:①大氣固氮，②硝酸銀分解，③實驗室制取氨氣，按氮元素被氧化、被還原、既不被氧化又不被還原的順序排列，正確的是( )

A. ①、②、③ B. ②、①、③

C. ③、②、① D. ③、①、②

解析:大氣固氮是氮氣與氧氣反應(yīng)生成NO，氮元素被氧化了;硝酸銀分解生成NO2，氮元素被還原了;實驗室制氨氣利用復(fù)分解反應(yīng)，沒有化合價的變化。答案為A。

例2.(2007全國II·11)下列氧化還原反應(yīng)中，水作為氧化劑的是()

A. CO+H2O CO2+H2

B. 3NO2+H2O=2HNO3+NO

C. 2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

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

解析:A中H2O中的H元素在反應(yīng)前后由+1價降低到0價，故H2O是氧化劑;B、C中H2O中沒有元素化合價發(fā)生變化，既不是氧化劑也不是還原劑;D中H2O中的O元素在反應(yīng)前后由-2價升高到0價，故H2O是還原劑。答案為A。

(2)根據(jù)物質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中所表現(xiàn)出的特點，人們將化學(xué)反應(yīng)分成化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程中元素的化合價是否發(fā)生變化，將化學(xué)反應(yīng)分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。這兩種分類之間存在著一定的關(guān)系(如圖):

應(yīng)用:確定四大反應(yīng)類型與氧化還原反應(yīng)的關(guān)系。

例3.(2009福建·6)下列類型的反應(yīng)，一定發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的是()

A. 化合反應(yīng) B. 分解反應(yīng)

C. 置換反應(yīng) D. 復(fù)分解反應(yīng)

解析:有單質(zhì)參加的化合反應(yīng)、有單質(zhì)生成的分解反應(yīng)才屬于氧化還原反應(yīng)，而置換反應(yīng)一定屬于氧化還原反應(yīng)，故只有置換反應(yīng)才一定發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。答案為C。

例4.(2007廣東·3)氯氣是一種重要的工業(yè)原料。工業(yè)上利用反應(yīng)3Cl2+2NH3=N2+6HCl檢查氯氣管道是否漏氣。下列說法錯誤的是()

A. 若管道漏氣遇氨就會產(chǎn)生白煙

B. 該反應(yīng)利用了Cl2的強(qiáng)氧化性

C. 該反應(yīng)屬于復(fù)分解反應(yīng)

D. 生成1 mol N2有6 mol電子轉(zhuǎn)移

解析:在常溫下能發(fā)生該反應(yīng)，說明Cl2的氧化性比較強(qiáng);HCl+NH3=NH4Cl(白煙)， 故氯氣泄漏時會產(chǎn)生白煙;該反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，而復(fù)分解反應(yīng)不可能是氧化還原反應(yīng);根據(jù)化合價變化可知生成1 mol N2有6 mol電子轉(zhuǎn)移。答案為C。

2價態(tài)律

元素處于最高價時，只有氧化性;處于最低價時，只有還原性;處于中間價態(tài)時，既有氧化性又有還原性，但主要呈現(xiàn)一種性質(zhì)，物質(zhì)若含有多種元素，其性質(zhì)是這些元素性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。

應(yīng)用:判斷元素或物質(zhì)有無氧化性或還原性。

例5.(2008上海·6)下列物質(zhì)中，按只有氧化性，只有還原性，既有氧化性又有還原性的順序排列的一組是( )

A. F2、K、HCl B. Cl2、Al、H2

C. NO2、Na、Br2 D. O2、SO2、H2O

解析:F2、O2只有氧化性，K、Al、H2、Na只有還原性;Cl2、NO2、Br2、SO2、H2O既有氧化性又有還原性。答案為A。

3守恒律

氧化還原反應(yīng)中有物質(zhì)失電子必有物質(zhì)得電子，且得失電子總數(shù)相等，或者說氧化還原反應(yīng)中，有物質(zhì)元素化合價升高必有物質(zhì)元素化合價降低，且化合價升降總數(shù)相等。

應(yīng)用:①求某一反應(yīng)中被氧化與被還原的原子數(shù)之比，或氧化劑與還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比。

②進(jìn)行氧化還原反應(yīng)方程式的配平。

③進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的有關(guān)計算。

例6.(2009全國II·6)物質(zhì)的量之比為2∶5的鋅與稀硝酸反應(yīng)，若硝酸被還原的產(chǎn)物為N2O，反應(yīng)結(jié)束后鋅沒有剩余，則該反應(yīng)中被還原的硝酸與未被還原的硝酸的物質(zhì)的量之比是()

A.1∶4 B.1∶5 C.2∶3 D.2∶5

解析:2 mol Zn失去4 mol電子生成2 mol Zn2+，結(jié)合NO3- 4 mol，故5 mol硝酸中被還原的硝酸只有1 mol，所以是1∶4。答案為A。

例7.(2008全國Ⅱ·12)(NH4)2SO4在高溫下分解，產(chǎn)物是SO2、H2O、N2和NH3。在該反應(yīng)的化學(xué)方程式中，化學(xué)計量數(shù)由小到大的產(chǎn)物分子依次是()

A. SO2、H2O、N2、NH3

B. N2、SO2、H2O、NH3

C. N2、SO2、NH3、H2O

D. H2O、NH3、SO2、N2

解析:此題實際上是考查化學(xué)方程式的配平，(NH4)2SO4→NH3+N2+SO2+H2O，反應(yīng)中: N:-3→0， 化合價變化總數(shù)為6，S:+6→+4，化合價變化數(shù)為2，根據(jù)化合價升高和降低的總數(shù)相等，所以應(yīng)在SO2前配3， (NH4)2SO4前面配3，NH3前面配4，再根據(jù)N原子和H原子守恒可知N2前面配1，H2O前面配6。配平后的化學(xué)方程式為: 3(NH4)2SO44NH3↑+N2↑+3SO2↑+6H2O。答案為C。

例8.(2008海南·4)鋅與很稀的硝酸反應(yīng)生成硝酸鋅、硝酸銨和水。當(dāng)生成1 mol硝酸鋅時，被還原的硝酸的物質(zhì)的量為( )

A. 2mol B. 1 mol C. 0.5molD.0.25 mol

解析:Zn:0→+2，當(dāng)生成1 mol硝酸鋅時，失去電子總數(shù)為2 mol;N:+5→-3，化合價的改變值為:(5+3)×1=8， 據(jù)電子得失相等可知，被還原的硝酸為2 mol/8=0.25 mol。答案為D。

4 轉(zhuǎn)化律

(1)鄰位轉(zhuǎn)化原則

在一般情況下，氧化還原反應(yīng)中，氧化劑和還原劑的價態(tài)變化是鄰位轉(zhuǎn)化最容易。如:

(2)互不交叉原則

不同價態(tài)的同種元素間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其結(jié)果是兩種價態(tài)只能相互靠近，而決不會出現(xiàn)高價變低價，低價變高價的交叉現(xiàn)象。如:H2S+H2SO4(濃)=S+SO2+2H2O， H2S被氧化為單質(zhì)S，濃硫酸被還原為SO2。

(3)歸中反應(yīng)

同一元素的高價化合物與低價化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，只能得到中間價態(tài)的物質(zhì)。

①若兩個價態(tài)之間無中間價態(tài)時，則不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

②兩個價態(tài)之間只有一種中間價態(tài)時，氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物相同，均為中間價態(tài)的產(chǎn)物。如:KClO3+6HCl(濃)=KCl+3Cl2↑+3H2O， KClO3被還原為Cl2， HCl被氧化為Cl2， 氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物都是Cl2。

③兩種價態(tài)之間存在多種價態(tài)時，價態(tài)變化遵循“鄰位轉(zhuǎn)化”原則。

(4)歧化反應(yīng)

元素化合價處于中間價態(tài)時可發(fā)生歧化反應(yīng)，中間價態(tài)→高價態(tài)+低價態(tài)(同一元素)。如:Cl2+2NaOH=NaClO+NaCl+H2O。

應(yīng)用:分析氧化還原反應(yīng)能否發(fā)生，分析氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物;判斷電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目，判斷反應(yīng)的產(chǎn)物。

例9.(2008上海·13)已知在熱的堿性溶液中，NaClO發(fā)生如下反應(yīng):3NaClO→2NaCl+NaClO3。在相同條件下NaClO2也能發(fā)生類似的反應(yīng)，其最終產(chǎn)物是()

A. NaCl、NaClO B. NaCl、NaClO3

C. NaClO、NaClO3D. NaClO3、NaClO4

解析:從已知反應(yīng)中可知氯元素的化合價有升有降，既然NaClO2也有類似的反應(yīng)，即氯元素的化合價也有升有降，選項A中均降低;選項B、C與題意相符;選項D化合價均升高，但選項C中NaClO不是最終產(chǎn)物。答案為B。

例10.(2000上海·24)KClO3和濃鹽酸在一定溫度下反應(yīng)會生成綠黃色的易爆物二氧化氯。其變化可表述為:□KClO3+□HCl(濃)→□KCl+□ClO2↑+□Cl2↑+□

⑴請完成該化學(xué)方程式并配平(未知物化學(xué)式和系數(shù)填入框內(nèi))

⑵濃鹽酸在反應(yīng)中顯示出來的性質(zhì)是_______(填寫編號，多選倒扣)。

①只有還原性②還原性和酸性

③只有氧化性④氧化性和酸性

⑶產(chǎn)生0.1 mol Cl2，則轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為_________mol。

⑷ClO2具有很強(qiáng)的氧化性。因此，常被用作消毒劑，其消毒的效率(以單位質(zhì)量得到的電子數(shù)表示)是Cl2的_______倍。

解析:(1)根據(jù)鄰位轉(zhuǎn)化原則可知，KClO3→ClO2， HCl→Cl2， 由電子得失守恒可知KClO3、ClO2、Cl2前面的系數(shù)分別為2、2、1，再由K原子守恒得KCl前面系數(shù)為2，由Cl原子守恒知HCl前面的系數(shù)為4，最后根據(jù)H、O原子守恒可知右邊還缺2個H2O。

(2)HCl中Cl元素部分化合價升高，部分化合價不變。

(3) 由(1)知，生成1 mol Cl2轉(zhuǎn)移2 mol電子。

5 強(qiáng)弱律

具有較強(qiáng)氧化性的氧化劑跟具有較強(qiáng)還原性的還原劑反應(yīng)，生成具有弱還原性的還原產(chǎn)物和具有弱氧化性的氧化產(chǎn)物:氧化劑+還原劑→還原產(chǎn)物+氧化產(chǎn)物，故氧化性:氧化劑>氧化產(chǎn)物;還原性:還原劑>還原產(chǎn)物。

應(yīng)用:在適宜條件下，用氧化性(還原性)較強(qiáng)的物質(zhì)制備氧化性(還原性)較弱的物質(zhì);或用于比較物質(zhì)間氧化性或還原性的強(qiáng)弱。

例11.(2009廣東·17)常溫下，往H2O2溶液中滴加少量FeSO4溶液，可發(fā)生如下兩個反應(yīng):2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O，2Fe3++H2O2=2Fe2++O2↑+H+。下列說法正確的是()

A. H2O2的氧化性比Fe3+強(qiáng)，其還原性比Fe2+弱

B. 在H2O2分解過程中，溶液的pH逐漸下降

C. 在H2O2分解過程中，F(xiàn)e2+和Fe3+的總量保持不變

D. H2O2生產(chǎn)過程要嚴(yán)格避免混入Fe2+

解析:由氧化還原反應(yīng)的強(qiáng)弱規(guī)律可知，氧化性是氧化劑大于氧化產(chǎn)物，還原性是還原劑大于還原產(chǎn)物，由方程式一可知，氧化劑H2O2氧化性比氧化產(chǎn)物Fe3+強(qiáng)，由方程式二可知，還原劑H2O2還原性比還原產(chǎn)物Fe2+強(qiáng)，所以A錯誤;方程式一和方程式二相加，即H2O2分解生成H2O和O2，H2O2呈弱酸性，所以隨著反應(yīng)進(jìn)行，pH升高，B錯誤;Fe3+或Fe2+作催化劑促進(jìn)H2O2分解，所以總量不變，C正確;因為Fe2+可導(dǎo)致H2O2分解，所以H2O2生產(chǎn)過程要避免混入Fe2+，D正確。

答案:C、D

例12.(2002·全國)R、X、Y和Z是四種元素，其常見化合價均為+2價，且X2+與單質(zhì)R不反應(yīng);X2++Z=X+Z2+;Y+Z2+=Y2++Z。這四種離子被還原成0價時表現(xiàn)的氧化性大小符合()

A. R2+>X2+>Z2+>Y2+B. X2+>R2+>Y2+>Z2+

C. Y2+>Z2+>R2+>X2+D. Z2+>X2+>R2+>Y2+

解析:由X2+與單質(zhì)R不反應(yīng)，知X2+的氧化性比R2+弱;由兩方程式知氧化性:X2+>Z2+，Z2+>Y2+。答案為A。

6先后律

在溶液中如果存在多種氧化劑(或還原劑)，當(dāng)向溶液中加入一種還原劑(或氧化劑)時，還原劑(或氧化劑)先將氧化性(或還原性)強(qiáng)的氧化劑(或還原劑)還原(或氧化)。

應(yīng)用:判斷物質(zhì)的穩(wěn)定性及反應(yīng)順序。

例13.(2009全國II·13)含有a mol FeBr2的溶液中，通入x mol Cl2。下列各項為通Cl2過程中，溶液內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式， 其中不正確的是( )

A. x=0.4 a，2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-

B. x=0.6 a，2Br-+Cl2=Br2+2Cl-

C. x=a，2Fe2++2Br-+2Cl2=Br2+2Fe3++4Cl-

D. x=1.5a，2Fe2++4Br-+3Cl2=2Br2+2Fe3++6Cl-

解析:Fe2+的還原性強(qiáng)于Br-，故氯氣通入FeBr2溶液中，先氧化Fe2+，再氧化Br-。當(dāng)n(FeBr2)∶n(Cl2)≥2∶1時， 發(fā)生反應(yīng)6FeBr2+3Cl2=2FeCl3+4FeBr3，故當(dāng)x=0.4 a時，只有Fe2+被氧化，A正確。當(dāng)n(FeBr2)∶ n(Cl2)≤ 2∶3 時，發(fā)生反應(yīng) 2FeBr2 + 3Cl2=2FeCl3+2Br2，故當(dāng)x=1.5 a時，F(xiàn)e2+和Br-完全被氧化，D正確。當(dāng)2∶3≤n(FeBr2)∶n(Cl2)≤2∶1時，F(xiàn)e2+完全被氧化，Br-部分被氧化，此時應(yīng)根據(jù)電子得失守恒來配平，當(dāng)x=0.6 a時，離子方程式應(yīng)為:10Fe2++2Br-+6Cl2=10Fe3++Br2+12Cl-，B錯誤;當(dāng)x=a時，F(xiàn)e2+全被氧化，Br-有一半被氧化，C正確。答案為B。

7轉(zhuǎn)移律

氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，還原劑失去電子，氧化劑得到電子，故實質(zhì)是還原劑將電子轉(zhuǎn)移給氧化劑。電子轉(zhuǎn)移有兩種方法:(1)雙線橋法:兩根線，前到后，同元素，標(biāo)得失;(2)單線橋法:一根線，反應(yīng)物，還(原劑)到氧(化劑)，不標(biāo)字。無論哪種表示方法，電子轉(zhuǎn)移的總數(shù)都等于化合價升高或降低的總數(shù)。

應(yīng)用:在化學(xué)方程式中標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目;計算氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目。

例14.(2009上海·24)某反應(yīng)中反應(yīng)物與生成物有:AsH3、H2SO4、KBrO3、K2SO4、H3AsO4、H2O和一種未知物質(zhì)X。

(1)已知KBrO3在反應(yīng)中得到電子，則該反應(yīng)的還原劑是_________。

(2)已知0.2mol KBrO3在反應(yīng)中得到1mol電子生成X，則X的化學(xué)式為______。

(3)根據(jù)上述反應(yīng)可推知______。

a. 氧化性:KBrO3>H3AsO4

b. 氧化性:H3AsO4>KBrO3

c. 還原性:AsH3>X

d. 還原性:X>AsH3

(4)將氧化劑和還原劑的化學(xué)式及其配平后的系數(shù)填入下列方框中，并標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目:。

解析:(1)KBrO3在反應(yīng)中得到電子，則另外一種化合價變化的元素在反應(yīng)中失去電子被氧化，所給物質(zhì)中As元素化合價發(fā)生了變化，低價態(tài)的AsH3是還原劑。

(2)0.2 mol KBrO3得到1 mol電子，說明Br元素在反應(yīng)中降低了5價，所以x的化學(xué)式為Br2。

(4)利用氧化還原反應(yīng)中電子得失相等的規(guī)律可配平該方程式:

8KBrO3+5AsH3+4H2SO44K2SO4+4Br2+5H3AsO4+

4H2O

答案: (1)AsH3; (2)Br2;(3)a、c;