氧化还原反应的规律及其应用

文章编号:1005-6629(2010)10-0072-04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

氧化还原反应是中学化学重要的知识点,它与元素化合物、离子反应、有机化学、电化学等都有较强的联系,也是每年高考必考的重点内容。学好氧化还原反应,必须掌握氧化还原反应的几大规律及其应用。

1关系律

(1) 氧化还原反应中存在几组概念,如氧化剂与还原剂、氧化反应与还原反应、氧化产物与还原产物、被氧化与被还原等,它们之间存在一定的关系:

化合价降低得电子氧化剂有氧化性被还原发生还原反应还原产物

化合价升高失电子还原剂有还原性被氧化发生氧化反应氧化产物

总结为8个字:得低还氧,失高氧还。

应用:判断氧化剂与还原剂、氧化反应与还原反应、氧化产物与还原产物等。

例1.(2009上海・7)在下列变化:①大气固氮,②硝酸银分解,③实验室制取氨气,按氮元素被氧化、被还原、既不被氧化又不被还原的顺序排列,正确的是( )

A. ①、②、③ B. ②、①、③

C. ③、②、① D. ③、①、②

解析:大气固氮是氮气与氧气反应生成NO,氮元素被氧化了;硝酸银分解生成NO2,氮元素被还原了;实验室制氨气利用复分解反应,没有化合价的变化。答案为A。

例2.(2007全国II・11)下列氧化还原反应中,水作为氧化剂的是()

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元素在反应前后由+1价降低到0价,故H2O是氧化剂;B、C中H2O中没有元素化合价发生变化,既不是氧化剂也不是还原剂;D中H2O中的O元素在反应前后由-2价升高到0价,故H2O是还原剂。答案为A。

(2)根据物质在转化过程中所表现出的特点,人们将化学反应分成化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应。根据化学反应过程中元素的化合价是否发生变化,将化学反应分为氧化还原反应和非氧化还原反应。这两种分类之间存在着一定的关系(如图):

应用:确定四大反应类型与氧化还原反应的关系。

例3.(2009福建・6)下列类型的反应,一定发生电子转移的是()

A. 化合反应 B. 分解反应

C. 置换反应 D. 复分解反应

解析:有单质参加的化合反应、有单质生成的分解反应才属于氧化还原反应,而置换反应一定属于氧化还原反应,故只有置换反应才一定发生电子转移。答案为C。

例4.(2007广东・3)氯气是一种重要的工业原料。工业上利用反应3Cl2+2NH3=N2+6HCl检查氯气管道是否漏气。下列说法错误的是()

A. 若管道漏气遇氨就会产生白烟

B. 该反应利用了Cl2的强氧化性

C. 该反应属于复分解反应

D. 生成1 mol N2有6 mol电子转移

解析:在常温下能发生该反应,说明Cl2的氧化性比较强;HCl+NH3=NH4Cl(白烟), 故氯气泄漏时会产生白烟;该反应是氧化还原反应,而复分解反应不可能是氧化还原反应;根据化合价变化可知生成1 mol N2有6 mol电子转移。答案为C。

2价态律

元素处于最高价时,只有氧化性;处于最低价时,只有还原性;处于中间价态时,既有氧化性又有还原性,但主要呈现一种性质,物质若含有多种元素,其性质是这些元素性质的综合表现。

应用:判断元素或物质有无氧化性或还原性。

例5.(2008上海・6)下列物质中,按只有氧化性,只有还原性,既有氧化性又有还原性的顺序排列的一组是( )

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只有还原性;Cl2、NO2、Br2、SO2、H2O既有氧化性又有还原性。答案为A。

3守恒律

氧化还原反应中有物质失电子必有物质得电子,且得失电子总数相等,或者说氧化还原反应中,有物质元素化合价升高必有物质元素化合价降低,且化合价升降总数相等。

应用:①求某一反应中被氧化与被还原的原子数之比,或氧化剂与还原剂、氧化产物与还原产物的物质的量之比。

②进行氧化还原反应方程式的配平。

③进行氧化还原反应的有关计算。

例6.(2009全国II・6)物质的量之比为2∶5的锌与稀硝酸反应,若硝酸被还原的产物为N2O,反应结束后锌没有剩余,则该反应中被还原的硝酸与未被还原的硝酸的物质的量之比是()

A.1∶4 B.1∶5 C.2∶3 D.2∶5

解析:2 mol Zn失去4 mol电子生成2 mol Zn2+,结合NO3- 4 mol,故5 mol硝酸中被还原的硝酸只有1 mol,所以是1∶4。答案为A。

例7.(2008全国Ⅱ・12)(NH4)2SO4在高温下分解,产物是SO2、H2O、N2和NH3。在该反应的化学方程式中,化学计量数由小到大的产物分子依次是()

A. SO2、H2O、N2、NH3

B. N2、SO2、H2O、NH3

C. N2、SO2、NH3、H2O

D. H2O、NH3、SO2、N2

解析:此题实际上是考查化学方程式的配平,(NH4)2SO4NH3+N2+SO2+H2O,反应中: N:-30, 化合价变化总数为6,S:+6+4,化合价变化数为2,根据化合价升高和降低的总数相等,所以应在SO2前配3, (NH4)2SO4前面配3,NH3前面配4,再根据N原子和H原子守恒可知N2前面配1,H2O前面配6。配平后的化学方程式为: 3(NH4)2SO44NH3+N2+3SO2+6H2O。答案为C。

例8.(2008海南・4)锌与很稀的硝酸反应生成硝酸锌、硝酸铵和水。当生成1 mol硝酸锌时,被还原的硝酸的物质的量为( )

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

解析:Zn:0+2,当生成1 mol硝酸锌时,失去电子总数为2 mol;N:+5-3,化合价的改变值为:(5+3)×1=8, 据电子得失相等可知,被还原的硝酸为2 mol/8=0.25 mol。答案为D。

4 转化律

(1)邻位转化原则

在一般情况下,氧化还原反应中,氧化剂和还原剂的价态变化是邻位转化最容易。如:

(2)互不交叉原则

不同价态的同种元素间发生氧化还原反应,其结果是两种价态只能相互靠近,而决不会出现高价变低价,低价变高价的交叉现象。如:H2S+H2SO4(浓)=S+SO2+2H2O, H2S被氧化为单质S,浓硫酸被还原为SO2。

(3)归中反应

同一元素的高价化合物与低价化合物发生氧化还原反应,只能得到中间价态的物质。

①若两个价态之间无中间价态时,则不能发生氧化还原反应。

②两个价态之间只有一种中间价态时,氧化产物与还原产物相同,均为中间价态的产物。如:KClO3+6HCl(浓)=KCl+3Cl2+3H2O, KClO3被还原为Cl2, HCl被氧化为Cl2, 氧化产物和还原产物都是Cl2。

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③两种价态之间存在多种价态时,价态变化遵循“邻位转化”原则。

(4)歧化反应

元素化合价处于中间价态时可发生歧化反应,中间价态高价态+低价态(同一元素)。如:Cl2+2NaOH=NaClO+NaCl+H2O。

应用:分析氧化还原反应能否发生,分析氧化产物和还原产物;判断电子转移的数目,判断反应的产物。

例9.(2008上海・13)已知在热的碱性溶液中,NaClO发生如下反应:3NaClO2NaCl+NaClO3。在相同条件下NaClO2也能发生类似的反应,其最终产物是()

A. NaCl、NaClO B. NaCl、NaClO3

C. NaClO、NaClO3D. NaClO3、NaClO4

解析:从已知反应中可知氯元素的化合价有升有降,既然NaClO2也有类似的反应,即氯元素的化合价也有升有降,选项A中均降低;选项B、C与题意相符;选项D化合价均升高,但选项C中NaClO不是最终产物。答案为B。

例10.(2000上海・24)KClO3和浓盐酸在一定温度下反应会生成绿黄色的易爆物二氧化氯。其变化可表述为:KClO3+HCl(浓)KCl+ClO2+Cl2+

⑴请完成该化学方程式并配平(未知物化学式和系数填入框内)

⑵浓盐酸在反应中显示出来的性质是_______(填写编号,多选倒扣)。

①只有还原性②还原性和酸性

③只有氧化性④氧化性和酸性

⑶产生0.1 mol Cl2,则转移的电子的物质的量为_________mol。

⑷ClO2具有很强的氧化性。因此,常被用作消毒剂,其消毒的效率(以单位质量得到的电子数表示)是Cl2的_______倍。

解析:(1)根据邻位转化原则可知,KClO3ClO2, HClCl2, 由电子得失守恒可知KClO3、ClO2、Cl2前面的系数分别为2、2、1,再由K原子守恒得KCl前面系数为2,由Cl原子守恒知HCl前面的系数为4,最后根据H、O原子守恒可知右边还缺2个H2O。

(2)HCl中Cl元素部分化合价升高,部分化合价不变。

(3) 由(1)知,生成1 mol Cl2转移2 mol电子。

5 强弱律

具有较强氧化性的氧化剂跟具有较强还原性的还原剂反应,生成具有弱还原性的还原产物和具有弱氧化性的氧化产物:氧化剂+还原剂还原产物+氧化产物,故氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。

应用:在适宜条件下,用氧化性(还原性)较强的物质制备氧化性(还原性)较弱的物质;或用于比较物质间氧化性或还原性的强弱。

例11.(2009广东・17)常温下,往H2O2溶液中滴加少量FeSO4溶液,可发生如下两个反应:2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O,2Fe3++H2O2=2Fe2++O2+H+。下列说法正确的是()

A. H2O2的氧化性比Fe3+强,其还原性比Fe2+弱

B. 在H2O2分解过程中,溶液的pH逐渐下降

C. 在H2O2分解过程中,Fe2+和Fe3+的总量保持不变

D. H2O2生产过程要严格避免混入Fe2+

解析:由氧化还原反应的强弱规律可知,氧化性是氧化剂大于氧化产物,还原性是还原剂大于还原产物,由方程式一可知,氧化剂H2O2氧化性比氧化产物Fe3+强,由方程式二可知,还原剂H2O2还原性比还原产物Fe2+强,所以A错误;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,所以随着反应进行,pH升高,B错误;Fe3+或Fe2+作催化剂促进H2O2分解,所以总量不变,C正确;因为Fe2+可导致H2O2分解,所以H2O2生产过程要避免混入Fe2+,D正确。

答案:C、D

例12.(2002・全国)R、X、Y和Z是四种元素,其常见化合价均为+2价,且X2+与单质R不反应;X2++Z=X+Z2+;Y+Z2+=Y2++Z。这四种离子被还原成0价时表现的氧化性大小符合()

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

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

解析:由X2+与单质R不反应,知X2+的氧化性比R2+弱;由两方程式知氧化性:X2+>Z2+,Z2+>Y2+。答案为A。

6先后律

在溶液中如果存在多种氧化剂(或还原剂),当向溶液中加入一种还原剂(或氧化剂)时,还原剂(或氧化剂)先将氧化性(或还原性)强的氧化剂(或还原剂)还原(或氧化)。

应用:判断物质的稳定性及反应顺序。

例13.(2009全国II・13)含有a mol FeBr2的溶液中,通入x mol Cl2。下列各项为通Cl2过程中,溶液内发生反应的离子方程式, 其中不正确的是( )

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+的还原性强于Br-,故氯气通入FeBr2溶液中,先氧化Fe2+,再氧化Br-。当n(FeBr2)∶n(Cl2)≥2∶1时, 发生反应6FeBr2+3Cl2=2FeCl3+4FeBr3,故当x=0.4 a时,只有Fe2+被氧化,A正确。当n(FeBr2)∶ n(Cl2)≤ 2∶3 时,发生反应 2FeBr2 + 3Cl2=2FeCl3+2Br2,故当x=1.5 a时,Fe2+和Br-完全被氧化,D正确。当2∶3≤n(FeBr2)∶n(Cl2)≤2∶1时,Fe2+完全被氧化,Br-部分被氧化,此时应根据电子得失守恒来配平,当x=0.6 a时,离子方程式应为:10Fe2++2Br-+6Cl2=10Fe3++Br2+12Cl-,B错误;当x=a时,Fe2+全被氧化,Br-有一半被氧化,C正确。答案为B。

7转移律

氧化还原反应的实质是电子的转移,还原剂失去电子,氧化剂得到电子,故实质是还原剂将电子转移给氧化剂。电子转移有两种方法:(1)双线桥法:两根线,前到后,同元素,标得失;(2)单线桥法:一根线,反应物,还(原剂)到氧(化剂),不标字。无论哪种表示方法,电子转移的总数都等于化合价升高或降低的总数。

应用:在化学方程式中标出电子转移的方向和数目;计算氧化还原反应中电子转移的数目。

例14.(2009上海・24)某反应中反应物与生成物有:AsH3、H2SO4、KBrO3、K2SO4、H3AsO4、H2O和一种未知物质X。

(1)已知KBrO3在反应中得到电子,则该反应的还原剂是_________。

(2)已知0.2mol KBrO3在反应中得到1mol电子生成X,则X的化学式为______。

(3)根据上述反应可推知______。

a. 氧化性:KBrO3>H3AsO4

b. 氧化性:H3AsO4>KBrO3

c. 还原性:AsH3>X

d. 还原性:X>AsH3

(4)将氧化剂和还原剂的化学式及其配平后的系数填入下列方框中,并标出电子转移的方向和数目:。

解析:(1)KBrO3在反应中得到电子,则另外一种化合价变化的元素在反应中失去电子被氧化,所给物质中As元素化合价发生了变化,低价态的AsH3是还原剂。

(2)0.2 mol KBrO3得到1 mol电子,说明Br元素在反应中降低了5价,所以x的化学式为Br2。

(4)利用氧化还原反应中电子得失相等的规律可配平该方程式:

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

4H2O

答案: (1)AsH3; (2)Br2;(3)a、c;

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