氧化還原反應考點分析

■浙江省杭州第二中學 曾應超

陌生氧化還原反應方程式的書寫作為一種重要的創新題型,在近幾年的高考中出現的頻率越來越高。由于書寫時需要對產物進行準確判斷,因此,難度較大。

一、典例再現

例題一定條件下,金屬鈉可以與氧化鐵發生反應,寫出該反應的化學方程式:___。

答案：6Na+Fe2O3══3Na2O+2Fe

二、追根溯源

氧化還原反應的核心知識點即兩條主線:其一,氧化劑得電子,化合價降低,發生還原反應,被還原,生成還原產物;其二,還原劑失電子,化合價升高,發生氧化反應,被氧化,生成氧化產物。具體可表示如下:

若要真正寫好氧化還原反應方程式,對兩對物質的書寫顯得尤為重要。若能對兩對物質加以正確判斷,問題便能迎刃而解。因此,在平時的學習中,對于常見氧化劑或還原劑對應的產物能夠做到熟練掌握,是正確書寫兩對物質的必要基礎。部分試劑及產物歸納如表1所示。

表1

三、解法探究

根據氧化還原反應的基本規律,在書寫時,可采用“四步法”進行處理,具體方法如下。

1.寫出兩對物質。

根據氧化還原反應的基本概念,準確推導出氧化產物和還原產物,從而寫出氧化劑、氧化產物、還原劑以及還原產物。如果反應為電極方程式,則只需寫出其中一對即可。推導時,充分利用氧化劑或還原劑的強弱以及元素金屬性非金屬性的強弱關系,重點把握兩點:其一,哪種物質中的哪種元素化合價升高(或降低)。如“例題”中單質Na化合價只能升高,只能是還原劑,因此Fe2O3中必有元素化合價降低,不難發現只能是鐵元素化合價降低。其二,升高(或降低)到何種程度。“例題”中鈉元素的問題不大,而鐵元素則可能降為+2或0價,由于單質Na具有很強的還原性,因此,將氧化劑還原的程度理應較大,故而鐵元素降為0價更為合理,所以氧化產物為Na2O,還原產物為Fe。可寫出四種物質

此外,還必須注意根據反應的氛圍或環境,正確判斷部分產物的合理性。如“例題”中可能出現將Na2O寫成Na2O2的情況,那么Na2O寫成Na2O2是否合理呢?如果能夠熟悉氧化還原反應的“強制弱規律”,便不難判斷。由于Fe2O3的氧化性弱于Na2O2,因而產物并不合理,同時,在強還原性的氛圍中生成強氧化性的Na2O2也不合理。

【變式練習1】金屬鈉能在二氧化碳氣體中燃燒,對于燃燒過程中生成的產物,有同學經過推理得出如下幾種可能,你認為不合理的是( )。

A.氧化鈉、單質碳

B.碳酸鈉、單質碳

C.碳酸鈉、一氧化碳

D.過氧化鈉、單質碳

答案：D

解析：由于金屬鈉參加反應,只能發生化合價升高為+1價的過程,因此二氧化碳中必有元素化合物降低,只能由碳元素完成。由于金屬鈉還原性較強,因此可將其還原到單質碳,產物為氧化鈉和單質碳。此外由于二氧化碳可與氧化鈉反應生成碳酸鈉,或與單質碳反應生成一氧化碳,故而A、B、C三項均合理。在D項中,過氧化鈉的生成需氧元素化合價升高,同時過氧化鈉為強氧化劑,如“例題”中分析所示在強還原劑氛圍下,此過程的發生并不合理。

2.根據化合價升降守恒配平兩對物質。

選擇合適的配平基準物(首先配平的物質),根據化合價升高總值等于化合價降低總值加以配平。如果反應為電極方程式,則只需根據化合價變化總值配平電子即可。選擇基準物時,必須選擇核心元素化合價完全發生變化的物質,即完全起氧化作用、還原作用或者完全是氧化產物或還原產物的物質。如果反應物或產物均滿足條件,則選擇所含核心原子數最多的物質作為基準物,若兩物質所含原子數相同則可同時選為基準物同時配平。然后,根據已配平基準物將其他核心元素化合價完全發生變化的物質加以配平。“例題”中配平時對基準物選擇的分析過程如表2所示。

表2

根據表2分析結果,選擇Fe2O3和Na2O為配平基準物,并進一步完成四種物質的配平結果如下所示。

【變式練習2】寫出Cu2O與稀硝酸反應的氧化產物和還原產物,并選擇合適的基準物配平兩對物質。

答案：3Cu2O+14HNO3══6Cu(NO3)2+2NO+7H2O

解析：由于稀HNO3具有強氧化性,故而可將Cu2O氧化,根據Cu2O中元素化合價升高的可能性分析,只能+1價的Cu升高為+2價,稀硝酸的常規還原產物為NO。對配平基準物的選擇分析過程如表3所示。

表3

根據表3分析過程可得,基準物為Cu2O和NO,兩對物質配平過程如下所示,其中,由于HNO3核心元素化合價并未完全發生變化,不在配平物質要求之內。

3.根據元素守恒或電荷守恒添加H2O之外的物質。

如果反應式為化學方程式,可根據氫和氧之外的元素的守恒,添加必要物質。如果反應式為離子方程式,則需要配平電荷,一般根據溶液的酸堿性選擇H+或OH-進行配平,若溶液顯酸性則使用H+,否則使用OH-。判斷溶液酸堿性可根據反應前的環境進行,也可根據產物進行。如果反應為電極方程式,還需關注電解質中導電的離子進行選擇。“例題”中根據元素守恒無需添加其他物質,故而最后配平結果為6Na+Fe2O3══3Na2O+2Fe。“變式練習2”中根據元素守恒需補充HNO3,此步配平結果為

4.根據氫或氧元素守恒配平H2O。

由于反應中H2O是否作為反應物或生成物不一定被提及,因此,最后必須通過氫或氧元素的守恒,判斷出反應式中是否需要配上H2O,“例題”中已無需要,“變式練習2”中根據氫或氧元素守恒配平H2O后,最終所得方程式為3Cu2O+14HNO3══6Cu(NO3)2+2NO+7H2O。

答案：

解析：由于中碳元素化合價由+3價升高到CO2中的+4價,因此中必有元素化合價降低,只能由錳元素完成,根據前述一般還原為Mn2+。對配平基準物的選擇分析過程如表4所示。

表4

根據表4分析過程可得,基準物為MnO-4、Mn2+和,兩對物質配平過程如下。

由于反應為離子方程式,需配平電荷,根據產物CO2可推斷為酸性條件,否則產物應該為因此,配平離子為H+,此步配平結果為+10CO2↑,最后根據氫或氧元素守恒配平H2O,最終所得離子方程式為

四、跟蹤練習

1.用NaHSO3可將廢液中的還原成Cr3+,反應的離子方程式為____。

2.以石墨為電極,電解Pb(NO3)2與Cu(NO3)2的混合溶液可制取PbO2,陽極的電極反應式為____。

參考答案

提示：由于還原成了Cr3+,NaHSO3中必有元素化合價升高,只能為具有強還原性的+4價硫升高到+6價。故兩對物質為根據化合價升降守恒配平為;由于NaHSO3溶液顯酸性,或者根據產物Cr3+不能在堿性溶液中生成,配平離子為H+,電荷守恒配平為最后根據氫或氧元素守恒配平H2O即可得出最終結果。

2.Pb2+-2e-+2H2O══PbO2+4H+。

提示：電極反應為氧化還原反應的半反應,需將上述方法中第一步的兩對物質改為一對,且第二步化合價升降守恒配平基準物改為配平電子。本題中所需書寫的陽極反應為氧化反應,化合價升高,只需找出化合價升高的一對物質即可。由于題中要求制備PbO2且原料Pb(NO3)2中鉛元素為+2價,需升高到+4價才能實現PbO2的生成,故而可得Pb2+→PbO2;根據化合價升高總量配平電子得Pb2+-2e-→PbO2;由于溶液為酸性,配平離子為H+,根據電荷守恒配平得Pb2+-2e-→PbO2+4H+;最后根據氫或氧元素守恒配平H2O即可得出最終結果。