高中化学 03 氧化还原反应

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氧化还原反应的概念

氧化反应与还原反应：氧化反应是指物质失去电子的反应，表现为元素化合价升高；还原反应是指物质得到电子的反应，表现为元素化合价降低。例如，在\(CuO + H_{2}\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}Cu + H_{2}O\)中，\(H_{2}\)发生氧化反应，\(CuO\)发生还原反应。

氧化剂与还原剂：在氧化还原反应中，得到电子的物质是氧化剂，具有氧化性，发生还原反应；失去电子的物质是还原剂，具有还原性，发生氧化反应。在上述反应中，\(CuO\)是氧化剂，\(H_{2}\)是还原剂。

氧化产物与还原产物：氧化剂得到电子被还原生成的产物叫还原产物，还原剂失去电子被氧化生成的产物叫氧化产物。在\(CuO + H_{2}\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}Cu + H_{2}O\)中，\(Cu\)是还原产物，\(H_{2}O\)是氧化产物。

氧化还原反应的特征和实质

特征：氧化还原反应的特征是反应前后元素的化合价发生变化。根据元素化合价是否变化，可以判断一个反应是否为氧化还原反应。

实质：氧化还原反应的实质是电子的转移（得失或偏移）。在反应过程中，电子从还原剂转移到氧化剂，导致元素的化合价发生升降。

氧化还原反应中电子转移的表示方法

双线桥法：用两条线桥来表示氧化还原反应中电子转移的方向和数目，一条线桥从还原剂中失去电子的元素指向氧化产物中相应元素，另一条线桥从氧化剂中得到电子的元素指向还原产物中相应元素，在线桥上标明电子转移的数目。例如，对于\(2KClO_{3}\stackrel{MnO_{2}}{\underset{\Delta}{=\!=\!=}}2KCl + 3O_{2}\uparrow\)，用双线桥法表示为：

\begin{align*}

& \overset{+5}{Cl}\underset{失6e^{-}}{\stackrel{}{2K\overset{-2}{Cl}O_{3}}}\stackrel{MnO_{2}}{\underset{\Delta}{=\!=\!=}}\overset{-1}{Cl}\underset{}{2K\overset{}{Cl}} + \overset{0}{O_{2}}\uparrow\\

& \underset{得6e^{-}}{\uparrow\uparrow}\\

\end{align*}

单线桥法：用一条线桥来表示电子转移的方向和数目，线桥从还原剂中失去电子的元素指向氧化剂中得到电子的元素，在线桥上标明电子转移的数目。上述反应用单线桥法表示为：

\begin{align*}

& \overset{+5}{Cl}\underset{}{2K\overset{-2}{Cl}O_{3}} + \overset{0}{O_{2}}\uparrow\\

& \underset{6e^{-}}{\uparrow}\\

\end{align*}

氧化还原反应的规律

守恒规律：氧化还原反应中，氧化剂得到电子的总数等于还原剂失去电子的总数，表现为化合价升高的总数等于化合价降低的总数，也即得失电子守恒、化合价升降守恒、质量守恒。

强弱规律：氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，还原剂的还原性强于还原产物的还原性。例如，在\(Fe + CuSO_{4}=\!=\!=FeSO_{4}+Cu\)中，氧化性：\(CuSO_{4}>FeSO_{4}\)，还原性：\(Fe>Cu\)。

价态规律：元素处于最高价态时，只有氧化性；元素处于最低价态时，只有还原性；元素处于中间价态时，既有氧化性又有还原性。例如，\(Fe^{3+}\)只有氧化性，\(Fe\)只有还原性，\(Fe^{2+}\)既有氧化性又有还原性。

先后规律：在浓度相差不大的溶液中，同时含有几种还原剂时，若加入氧化剂，则还原性强的先被氧化；同时含有几种氧化剂时，若加入还原剂，则氧化性强的先被还原。

氧化还原反应的应用

氧化还原反应在生产生活中的应用：金属的冶炼、燃料的燃烧、食物的腐败等都涉及氧化还原反应。例如，利用一氧化碳还原氧化铁冶炼铁，\(3CO + Fe_{2}O_{3}\stackrel{高温}{=\!=\!=}2Fe + 3CO_{2}\)。

氧化还原反应在化学实验中的应用：许多氧化还原反应可用于物质的制备、性质检验等。例如，用氯酸钾和二氧化锰混合加热制备氧气，利用氧化还原反应进行物质的定量分析等。

氧化还原反应在电化学中的应用：原电池和电解池的工作原理都基于氧化还原反应。原电池是将氧化还原反应中的化学能转化为电能的装置，电解池是将电能转化为化学能的装置，通过氧化还原反应实现物质的制备、精炼等。

氧化还原反应是高中化学的核心概念之一，它贯穿于化学学习的各个领域，对于理解化学反应的本质、物质的性质和变化规律以及解决实际化学问题都具有重要意义。