一、氧化还原反应及基本概念

1.1 氧化还原反应

  1. 定义：有电子转移，反应前后物质所含元素的化合价有变化的化学反应（可能是一种元素变化，也可能是多种元素变化）
  2. 氧化反应：失去电子（或电子对偏离），物质所含元素化合价升高的反应
  3. 还原反应：得到电子（或电子对偏离），物质所含元素化合价降低的反应
  4. 特征：反应前后有元素化合价的变化（通过这条来判断反应是否为氧化还原反应）
  5. 本质：电子的转移（得失或共用电子对偏离）
  6. 氧化还原反应与四种基本反应类型的关系
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氧化还原与四大反应的基本关系

1.2 氧化还原反应中的基本概念

  1. 氧化剂：
    • 具有氧化性：物质得电子的性质（或能力）。物质越易得电子，氧化性越强（可以让别人被氧化/发生氧化反应）
    • 元素化合价：在化学反应中元素化合价升高
    • 发生反应：自身发生还原反应
    • 产物：还原产物（氧化剂自身发生还原反应后变成的物质，所以叫还原产物）
  2. 还原剂：
    • 具有还原性：物质失电子的性质（或能力）。物质越易失电子，还原性越强（可以让别人被还原/发生还原反应）
    • 元素化合价：在化学反应中元素化合价降低
    • 发生反应：自身发生氧化反应
    • 产物：氧化产物（还原剂自身发生氧化反应后变成的物质，所以叫氧化产物）
  3. 氧化还原反应概念之间的关系：
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氧化还原反应概念之间关系

二、常见的氧化剂还原剂

2.1 常见的氧化剂和还原剂的类别

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常见氧化剂与还原剂

2.2 常见的氧化剂与产物，还原剂与产物

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氧化剂与产物还原剂与产物

三、氧化还原反应的表示方法

3.1 双线桥法（从反应物指向生成物）

  1. 定义：表示反应前后同一元素由反应物转化成生成物时电子转移的情况
  2. 步骤：标价态 ->连双线 ->注得失
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双线桥法

3.2 单线桥法（反应物从失指向得）

  1. 定义：表示反应物中同种或不同种元素原子间得电子转移情况
  2. 步骤：标价态 ->连单线 ->注数目
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单线桥

四、氧化性、还原性强弱的比较

元素氧化性、还原性的强弱与得失电子的多少无关（即与化合价升高或降低的量无关），只与得失电子的难易程度有关。在反应中，我们可以通过以下几种方式来判断氧化性、还原性强弱

4.1 根据氧化还原反应方程式的判断

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还原性与氧化性的比较

氧化性：氧化剂>氧化产物 还原性：还原剂>还原产物 比什么性，找什么计，产物之性小于剂

4.2 根据单质的活动性顺序判断

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单质活动性顺序判断强弱

氧化性与还原性强弱比较

  • 氧化性比较：

\(\ce{F2>O3>KMnO4(H+)>H2O2(H+)>KClO3(H+/ \Delta )>Cl2}\) \(\ce{>浓HNO3>K2Cr2O7(H+)>O2>Br2>稀HNO3>Ag+ \approx Hg^2+ > 浓H2SO4(常温)>Fe^3+ }\) \(\ce{>I2 \approx Cu^2+ >pb^2+>Sn^4+>Fe^2+>Zn^2+>Al^3+>Mg^2+>Na+>Ca^2+>K+ }\)

  • 还原性比较：

\(\ce{K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Sn>Pb>(H2)>Cu>I- >Fe^2+>Br- >Ag>Cl- >F-}\)

  • \(\ce{Cl- }\) 对应的氧化剂 \(\ce{Cl2}\) 可以氧化所有排在\(\ce{Br-}\) 及之前的物质
  • \(\ce{Br- }\) 对应的氧化剂 \(\ce{Br2}\) 可以氧化所有排在\(\ce{Fe^2+}\) 及之前的物质
  • \(\ce{Fe^2+ }\) 对应的氧化剂 \(\ce{Fe^3+}\) 可以氧化所有排在\(\ce{I-}\) 及之前的物质
  • \(\ce{I- }\) 对应的氧化剂 \(\ce{I2}\) 只能氧化 \(\ce{Fe、Zn}\) 等活泼金属 ，其单质基本不氧化，更多表示还原性

（\(\ce{I-}\) 是强还原剂的门槛）

  • \(\ce{S^2-}\) 的性质复杂，不计入该表的正式顺序中，只需记住其强于\(\ce{I-}\) ,属于强还原剂，可以被\(\ce{I2}\)前的物质氧化
  • \(\ce{K2Cr2O7(H+)、浓HNO 氧化性排在 Cl2 之后，Br2之前}\) 所以可以氧化所有排在\(\ce{Br-}\) 之前的所有物质，不能氧化 \(\ce{Cl-}\)
  • PS：以上强制弱的应用范围仅适用于对于不生成沉淀、气体或难电离物的简单离子氧化还原反应中，即发生在水溶液中的离子间反应。超过该范围，物质的氧化还原反应性质就要变化，就应该具体问题具体分析

4.3 同种元素的不同价态物质氧化性和还原性的判断

同种元素不同价态.png
同种元素不同价态

PS：最低价态元素只具有还原性，但并不意味着最低价态的还原性一定比中间价态的还原性更强

4.4 根据影响因素判断氧化性、还原性强弱的方法

  1. 浓度：同一物质浓度越大，氧化性（或还原性）越强。如氧化性：浓硫酸>稀硫酸
  2. 酸碱性：同一种物质，所处的环境的酸碱性不同，其氧化性或还原性不同。如\(\ce{KMnO4}\) 在酸性条件下的氧化性大于碱性条件下的氧化性
  3. 温度：
    • 当不同的氧化剂（或还原剂）与同一还原剂或氧化剂反应时，反应越易进行，则对应的氧化剂（或还原剂）的氧化性（或还原性）越强，反之越弱，如

\(\ce{MnO2 + 4HCl(浓) \xlongequal[]{\Delta} MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\) \(\ce{2KMnO4 + 16HCl(浓) \xlongequal[]{} 2KCl + 2MnCl2 +5Cl2 ^ + 8H2O}\) 后者比前者更易发生，故氧化性：\(\ce{KMnO4>MnO2}\)

  • \(\ce{Na}\) 与冷水剧烈反应，\(\ce{Mg}\) 与水需要加热才能反应，\(\ce{Al}\) 与水在加热条件下也很难反应，故还原性：\(\ce{Na>Mg>Al}\)

4.5 根据被氧化或被还原的程度判断

\(\ce{2Fe+ 3Cl2 \xlongequal[]{\Delta} 2FeCl3}\) ； \(\ce{Fe + S \xlongequal[]{\Delta} FeS}\) 由于\(\ce{Cl2}\) 把\(\ce{Fe}\) 从0价氧化到+3价，\(\ce{S}\) 把\(\ce{Fe}\) 从0价氧化到+2价，因此，氧化性：\(\ce{Cl2>S}\) (只适用于可以用控制变量法的时候)

五、氧化还原反应的基本规律

5.1 性质强弱规律

自发进行的氧化还原反应 ，一般遵循强氧化剂制弱氧化剂，强还原剂制弱还原剂，即“由强制弱” 。

5.2 先强后弱规律

  1. 氧化剂与很多还原剂反应时，一定时按照还原剂的强弱，先与最强的还原剂反应，反应完再按照强弱顺序依次反应：比如\(\ce{FeBr2}\) 溶液通入\(\ce{Cl2}\) 时，还原性 \(\ce{Fe^2+ > Br-}\) ,所以\(\ce{Fe^2+ 先与 Cl2}\) 反应
  2. 还原剂与很多氧化剂反应时，一定时按照氧化剂的强弱，先与最强的氧化剂反应，反应完再按照强弱顺序依次反应：比如将铁粉加入 含有\(\ce{ Fe^3+ 、Cu^2+ 、H+}\) 的溶液中。氧化性\(\ce{ Fe^3+ >Cu^2+ >H+}\) ;所以铁粉先与\(\ce{Fe^3+}\) 反应 ,然后一次与 \(\ce{Cu^2+ 、 H+}\) 反应

5.3 价态归中规律

  1. 内容：含不同的价态的同种元素的物质间发生氧化还原反应时，该元素的价态变化一定遵循“高价+低价 \(\rightarrow\) 中间价 ”，而不会出现交叉现象，简记为”两相靠，不相交“
  2. 以S 元素的相互转化为例：
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价态归中规律
  1. 其他例子：\(\ce{6HCl(浓) + NaClO3 \xlongequal[]{} NaCl + 3Cl2 ^ +3H2O }\)

5.4 歧化反应规律

  1. 内容：具有多种价态的元素（如氯、硫、氮、磷）均可发生"中间价 \(\rightarrow\) 高价+ 低价" 的歧化反应
  2. eg：\(\ce{Cl2 + 2NaOH \xlongequal[]{} NaCl + NaClO + H2O}\)

5.5 得失电子守恒

反应中氧化剂得到的电子总数和还原剂失去的电子总数相等

六、氧化还原反应方程式配平

6.1 配平的基本原则

  1. 得失电子守恒：氧化剂和还原剂得失电子总数相等，即化合价升高总数=化合价降低总数
  2. 原子守恒：反应前后原子的种类和个数不变
  3. 电荷守恒（离子方程式）：离子反应墙厚，阴、阳离子所带的电荷总数相等

6.2 配平的一般步骤

  1. 标变价：标明反应前后变价元素的化合价
  2. 列得失：列出化合价的变化值
  3. 求总数：通过求最小公倍数使化合价升降总数相等
  4. 配系数：用观察法配平其他物质的化学计量数
  5. 查守恒：检查原子、电荷是否守恒
  6. 配平练习
    • \(\ce{FeCl3 + NaOH + NaClO \xlongequal[]{} Na2FeO4 + NaCl + H2O}\)
    • \(\ce{K2Cr2O7 + H2C2O4 + H2SO4 \xlongequal[]{} Cr2(SO4)3 + CO2 ^ + K2SO4 + H2O}\)
    • \(\ce{H2O2 + MnO4^- \ \xlongequal[]{} Mn^2+ + O2 ^}\)
    • \(\ce{H2O2 + I^- \ \xlongequal[]{} I2 + H2O }\)
    • 向一只盛有3ml \(\ce{H2O2}\) 水溶液的试管中滴入几滴酸性\(\ce{KMnO4}\) 溶液，震荡，有无色无味气体产生，得到无色溶液。写出该反应的离子方程式：
    • \(\ce{BiO3^- \rightarrow Bi^3+ }\) 的过程中，还有 \(\ce{Mn^2+ 、 MnO4^- }\) 等一些其他离子参与，请写出离子方程式

七、工业、汽车、生活中的氧化还原反应

7.1 工业生产中的氧化还原反应

人们可以利用氧化还原反应实现物质的转化，以金属的冶炼为例

  • 热还原法：以碳、一氧化碳、氢气等物质作为还原剂，在加热条件下将金属氧化物还原为金属单质
  • 金属置换法：以活泼金属为还原剂
  • 电解法：利用外加电源提供电子，使金属元素化合价降低，从而获得金属单质，如电解氧化铝制备金属铝
  • 实例：制备金属\(\ce{Ti}\)
    • 第一步：\(\ce{TiO2 + 2C + 2Cl2 \xlongequal[]{高温} TiCl4 + 2CO }\)
    • 第二步：\(\ce{TiCl4 + 2Mg \xlongequal[]{\Delta} Ti + 2MgCl2}\)

7.2 汽车中的氧化还原反应

  1. 汽车尾气的处理：汽车尾气的主要成分是 \(\ce{CO2 、CO 、 NOx(其中NO 体积分数占其中95\% )}\) 大多是空气污染物，治理的方法之一是在汽车排气管加装 ”催化转化器“，利用催化剂使得\(\ce{CO 与NO }\) 发生反应，生成无污染的 \(\ce{CO2 与N2 }\)

\(\ce{2CO + 2NO \xlongequal[]{催化剂} 2CO2 + N2}\)

  1. 汽车安全气囊原理：汽车剧烈碰撞时，安全气囊中发生：

\(\ce{10NaN3 + 2KNO3 \xlongequal[]{} 5Na2O + K2O + 16N2 ^}\)

7.3 生活中氧化还原反应

  1. 切开或者削皮的苹果变黄，鲜榨的苹果汁也会变黄。但是如果榨汁的时候加入一些维生素C，会减缓这种氧化。变黄的原因是苹果中的 \(\ce{Fe^2+}\) 被 \(\ce{O2}\) 氧化成 \(\ce{Fe^3+}\) ，而维生素C是还原剂。
  2. 预防缺碘症的最简便的方法就是在食盐中加入碘，即在食盐中加入适量碘酸钾\(\ce{KIO3}\) 检测食盐中是否加碘，可以利用以下反应：\(\ce{KIO3 + 5KI + 3H2SO4 \xlongequal[]{} 3K2SO4 + 3I2 + 3H2O}\) 然后再利用淀粉溶液遇碘单质变蓝来测定是否有碘单质
  3. 84消毒液的主要成分次氯酸钠（\(\ce{NaClO}\)）,洁厕灵的主要成分是盐酸。两者不能混用，原因是

\(\ce{NaClO + 2HCl \xlongequal[]{} NaCl + Cl2 ^ + H2O}\)

  1. 打开月饼盒会发现盒子内有一个小纸袋，上面写着脱氧剂，因为富脂视频容易氧化变质，所以要延长食品保质期，就要防止被氧化，就要加入还原性物质，如铁粉
  2. 交警测酒驾的原理，便携式酒精测试仪内吸附着\(\ce{K2Cr2O7}\) 的硅胶颗粒，\(\ce{K2Cr2O7}\) 是一种橙红色具有强氧化性的化合物，当它在酸性条件下被还原成\(\ce{Cr^3+}\) 时，颜色会变为绿色，具体反应是

\(\ce{2K2Cr2O7 + 3CH3CH2OH + 8H2SO4 \xlongequal[]{} 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 3CH3COOH +11H2O }\) 氧化剂：\(\ce{K2Cr2O7}\) \(\rightarrow\) 还原产物：\(\ce{Cr2(SO4)3}\) ; 还原剂：\(\ce{CH3CH2OH}\) \(\rightarrow\) 氧化产物：\(\ce{CH3COOH}\)