氧化性还原性的规律

氧化和还原 (第十五课页164至页200) 氧化还原反应其实包含两个词语，分别是「氧化」和「还原」。 化学中很多反应都是氧化还原反应。例如生物学中的呼吸作用和光合作用、金属氧化物的还原作用、金属的提取、燃烧、置换反应、生锈和电池的反应等等。 15.2 氧化和还原作用的定义(定义一) (页166至页169) 当镁在空气中燃烧时，与氧结合形成氧化镁。 2Mg(s) + O2(g) (( 2MgO(s) 因为镁与氧结合，化学家称这个过程为氧化作用。相反，若从物质中失去氧则称为还原作用。例如当氧化铜 (II) 与碳共热时，氧化铜 (II) 被还原为铜。 2CuO(s) + C (s) (( 2Cu(s) + CO2(g) 氧化作用指一种物质得到氧的过程。 还原作用指一种物质失去氧的过程。 我们再探究氧化铜 (II) 与碳的反应。碳得到氧，形成二氧化碳，这是氧化过程。同时，氧化铜 (II) 失去氧，形成铜，这是还原过程。氧化作用和还原作用必须同时发生。因此，这种反应称为氧化还原反应 氧化作用 2CuO(s) + C(s) (( 2Cu(s) + CO2(g) 还原作用 在氧化铜 (II) 与碳的反应中，碳从氧化铜 (II) 中夺走氧，使氧化铜 (II) 被还原，因此碳是还原剂。氧化铜 (II) 给碳提供氧，使碳被氧化，因此氧化铜 (II) 是氧化剂。 引致氧化作用的物质称为氧化剂 引致还原作用的则称为还原剂。 将氧化铁 (III) 放在鼓风炉中加热便可以提取铁，其反应方程式如下： Fe2O3(s) + 3CO(g) (( 2Fe(l) + 3CO2(g) 氧化铁 (III) 在反应中失去氧，所以它被还原。一氧化碳得到氧（变成二氧化碳），所以它被氧化。因此，这个反应是氧化还原反应，而一氧化碳是还原剂。 15.3 氧化和还原作用的定义(定义二) (页170至页173) 氧化作用是物质失去电子的过程。 还原作用是物质得到电子的过程。 例如：当镁与氧发生反应时，镁原子会失去电子，形成镁离子（Mg2+），氧原子则获得这些电子，形成氧离子（O2- )。 失去电子 Mg + O [Mg2+] [O]2- 获得电子 在这反应中，镁被氧化了，因为它失去电子；而氧则被还原了，因为它得到电子。氧化和还原作用总是同时进行的。 另一个氧化还原反应是钠和氯的反应： 2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s) 钠原子失去电子，所以是被氧化了。 Na(s) → Na+(s) + e- 失去电子：_____作用 氯是_______剂 (它令钠氧化) 而氯原子则获得电子，所以是被还原了。 Cl2(g) + 2e- → 2Cl- (s) 获得电子：_____作用 钠是_______剧 (它使氯还原) 15.3.1 置换反应中的氧化还原反应 (页172) 图15.5页172 总反应如下： 氧化作用（失去电子） Zn(s) + Cu2+(aq) (( Zn2+(aq) + Cu(s) 还原作用（获得电子） 在这个置换反应中，锌是还原剂，铜 (II) 离子是氧化剂。 15.3.2 简单化学电池中的氧化还原反应 (页172至页173) 在负电极 锌失去电子，形成锌离子，所以锌被氧化了。 氧化作用：失去电子 离子半反应式： Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- 在正电极 硫酸铜(II)溶液的铜(II)离子获得电子，所以铜(II)离子被还原了。还原作用：获得电子 离子半反应式： Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) 将两个半方程式结合，可以得到电池的总氧化还原反应方程式(电子被省略去)： 氧化作用 Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) 还原作用 在这电池反应中，锌是还原剂，铜(II)离子是氧化剂。 15.4 氧化数 (页174至页177) 假如一个元素的原子能以离子的形式存在，它带有的电荷数便是该元素的氧化数。 要计算氧化数的值，我们可以遵循下列的规则。 规则一 元素的氧化数是零。 例如：Cu，H2，O2 规则二 简单离子的氧化数与离子的电荷数相同。 例如： Cu2+ +2 O2- -2 规则三 某些元素在化合物中的氧化数是固定的。例如： 氢在其大多数的化合物中 +1 氧在其大多数的化合物中 -2 所有第 I 族金属 +1 所有第 II 族金属 +2 规则四 化合物中各元素的氧化数总和是零。 例如： H2O (+1) x 2 + (-2) = 0 规则五 离子中各元素的氧化数总和相等于该离子所带的电荷数目。 例如： OH- (-2) + (+1) = -1 15.4.1 计算元素的氧化数 ： 计算下列化合物或离子中有划线的元素的氧化数 技能训练 页176及页177 H2S ( ) MnO2 ( ) NO3- ( ) H2CO3 ( ) MnO4- ( ) N2 ( ) KCl ( ) H2SO4 ( ) NO2 ( ) PO43- ( ) NH4+ ( ) NaHSO4 ( ) Ca ( ) NH3 ( ) Mg3N2 ( ) (NH4)2SO4 ( ) 不同氧化数的元素 有些元素在不同物质中具有不同的氧化数。例如锰在KMnO4、MnO2、MnCl2 和 Mn 的氧化数分别是 +7、+4、+2 和 0。 (页17715.1 ) 金属离子的命名 (页177) 一些金属形成多于一种氧化数的离子。我们在金属的名称后面加括号，内里以罗马数目字写上离子的氧化态。例如 FeCl3 的名称是氯化铁(III)，FeCl2 是氯化铁(II)。 15.5 从氧化数的改变看氧化还原反应(定义三) (页178至页181) 在氧化作用中，元素的氧化数增加。 在还原作用中，元素的氧化数减少。 15.5.1 例子 1. 简单电池反应 (页178) 下面的方程式表示简单锌铜电池的反应。 氧化作用 Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) 还原作用 1 锌的氧化数从 0 增加至 +2。 2 铜的氧化数从 +2 减少至 0。 2. 置换反应 (页179) 以下为镁与硫酸铜(II)溶液反应的完整方程式： 氧化作用 Mg(s) + CuSO4(aq) → MgSO4(aq) + Cu(s) 还原作用 镁的氧化数增加，所以镁被氧化。铜的氧化数减少，所以在硫酸铜 (II) 中的铜离子被还原。整个反应中，硫酸根离子完全没有变化，所以，我们省略计算 S 和O 原子的氧化数，写成以下的离子方程式： 氧化作用 Mg(s) + Cu2+(aq) → Mg2+(aq) + Cu(s) 还原作用 3. 金属与酸的反应 (页179) 锌与稀硫酸的反应： 氧化作用 Zn(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(aq) + H2(g) 还原作用 或用离子方程式表示： 氧化作用 Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) 还原作用 锌被氧化，而氢离子则被还原。 4. 金属氧化物的还原作用 (页180) 在提取金属铁时，氧化铁 (III) 被一氧化碳还原成金属。 氧化作用 Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g) 还原作用 5. 干电池中的氧化还原反应 (页181) 碱性锰电池中的总反应： 氧化作用 Zn(s) + 2MnO2(s) → ZnO(s) + Mn2O3(s) 还原作用 锌的氧化数从 0 增加至 +2，所以锌是被氧化。 锰的氧化数从 +4 减少至 +3，所以氧化锰(IV)的锰离子是被还原。 三种氧化物中氧的氧化数保持不变，均是 -2。 6. 生锈 铁与空气和水发生反应，形成氧化铁 (III)。 氧化作用 0 +3 Fe(s) Fe2O3(s) 铁被氧化，它的氧化数从 0 增加至 +3。 技能训练 页182 15.5.2 并非全部的反应都是氧化还原反应 (页181至页182) 下列三个化学反应就不是氧化还原反应。 1. 把碳酸盐加热 +2 +4 -2 +2 -2 +4 -2 CuCO3(s) → CuO(s) + CO2(g) 以上每个元素的氧化数都没有改变，例如 Cu (+2 ( +2)，所以这不是氧化还原反应。 2. 中和作用 +1 -2 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -2 NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) 在这个反应中，每个元素的氧化数保持不变。因此，中和作用不是氧化还原反应。 3. 沉淀反应 将硝酸银溶液加入氯化钠溶液中，形成白色的氯化银沉淀。 Ag+(aq) + Cl–(aq) (( AgCl(s) 在反应过程中，银离子 (+1) 和氯离子 (-1) 的氧化数都保持不变。因此，沉淀反应不是氧化还原反应。 15.6 常见的氧化剂和还原剂 (页182至页186) 见附页 (页183 表15.2 及表15.3 ) 氧化剂 : 浓酸、氧化数高的物质、第七族元素、氧气 还原剂 : 活泼金属、氧化数低的物质、亚硫酸、铁(II)离子等 15.6.1 硝酸 硝酸 (HNO3) (aq) 可用作氧化剂，但发生的反应取决于酸的浓度。 A. 浓硝酸 (图15.7 页185) 当浓硝酸与金属发生反应时，会产生棕色的二氧化氮气体。现看看它与镁的反应： 0 +5 +2 +4 Mg(s) + 4HNO3(aq) (( Mg(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l) 在硝酸中的氮被还原（氧化数从 +5 减至 +4）。因此，硝酸作为氧化剂；假如它是作为酸参与反应，应当产生氢气。 B. 稀硝酸 大多数金属与稀硝酸发生反应时会被氧化，稀硝酸被还原成无色的一氧化氮气体 (NO)。现看看稀硝酸与镁的反应： 0 +5 +2 +2 3Mg(s) + 8HNO3(aq) (( 3Mg(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l) 在这个反应中，硝酸中氮元素的氧化数从 +5 减至 +2。 C. 极稀硝酸 在上述反应中，浓硝酸和稀硝酸没有呈现酸的性质。因为没有氢气形成。 事实上，只有极稀的硝酸才呈现酸性。例如，当它与镁反应时形成氢气。 Mg(s) + 2HNO3(aq) (( Mg(NO3)2(aq) + H2(g) 15.6.2. 氧化作用和还原作用的补充资料 - 既是氧化剂又是还原剂 (页185至页186)) 有些物质在某个反应中是氧化剂，在另一个反应中却是还原剂。二氧化硫就是一个例子。下列方程式显示二氧化硫与氧发生反应，形成三氧化硫： +4 +6 还原剂 2SO2(g) + O2(g) →2SO3(g) 在这个反应中，二氧化硫被氧化，因为硫的氧化数由 +4 增加至 +6，所以二氧化硫是还原剂。再看另一个例子。二氧化硫与硫化氢的反应： +4 0 氧化剂 SO2(g) + 2H2S(g) →3S + 2H2O(l) -2 0 在这个反应中，二氧化硫被还原成硫，所以二氧化硫是氧化剂。 所以不可以简单地说「二氧化硫是氧化剂或还原剂」，而是要说「当二氧化硫与硫化氢发生反应时，二氧化硫是氧化剂。」或「当二氧化硫与氢发生反应时，二氧化硫是还原剂。」 15.6.3 强弱氧化剂和还原剂 (页186) - 我们称轻易得到电子的物质为强氧化剂。相反，轻易失去电子的物质称为强还原剂。 - 在活性序顶部的金属轻易失去电子，形成离子，它们是强还原剂。在活性序底部的金属较不容易形成离子，它们是弱还原剂。 愈容易失去电子 愈难失去电子 K Ca Na Mg Al Zn Fe Pb (H) Cu Hg Ag Au 强还原剂 弱还原剂 - 在活性序底部的金属离子很容易接受电子，形成金属。这些离子是强氧化剂。在活性序顶部的金属离子较不容易接受电子，它们是弱氧化剂。 愈难接受电子 愈容易接受电子 K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Pb2+ (H+) Cu2+ Hg2+ Ag+ Au3+ 极弱氧化剂 较强氧化剂 - 一些非金属或非金属离子的物质也可以是氧化剂或还原剂。 15.7 平衡氧化还原方程式 (例题二及三 页187至页188 ) 1) FeSO4 与浓硝酸的化学反应 氧化剂 (被还原者) ： 还原剂 (被氧化者) ： 氧化反应的半反应式： 还原反应的半反应式： 总氧化还原反应方程式： 观察 / 颜色改变： 2) FeCl2 与 Br2 的化学反应 氧化剂 (被还原者) ： 还原剂 (被氧化者) ： 氧化反应的半反应式： 还原反应的半反应式： 总氧化还原反应方程式： 观察 / 颜色改变： 3) KI 与 Cl2 的化学反应 氧化剂 (被还原者) ： 还原剂 (被氧化者) ： 氧化反应的半反应式： 还原反应的半反应式： 总氧化还原反应方程式： 观察 / 颜色改变： 4) 酸化 KMnO4 与 Na2SO4 的化学反应 氧化剂 (被还原者) ： 还原剂 (被氧化者) ： 氧化反应的半反应式： 还原反应的半反应式： 总氧化还原反应方程式： 观察 / 颜色改变： 技能训练 页188 15.8 氧化还原反应的进一步探究 (页189至页193) 15.8.1 硫酸铁(II)溶液和碘化钾溶液之间的反应 (页189) 有些电池是利用非金属或非金属离子制成的。 页189图15.8 A 和 B是碳电极，是惰性电极，并不参与或影响电池的反应。 电子流动 碳电极 碘化钾 溶液 图中显示外电路中的电子从 A 流向 B 。 在电极 A 碘化钾溶液中的碘离子失去电子，形成碘。 2I- (aq) → I2(aq) + 2e- 氧化作用 碘离子被氧化成碘。 在电极 B 来自硫酸铁(III) 溶液的铁(III) 离子 Fe3+ (aq) 被还原成 Fe2+ (aq) 离子。 Fe3+ (aq) + e- → Fe2+(aq) 还原作用 电池的总反应 2I- (aq) + 2Fe3+ (aq) → I2(aq) + 2Fe2+(aq) 在这个反应中： - 非金属碘离子被氧化成非金属碘。 - 碘离子是还原剂（因为它使 Fe3+ 离子还原）。 - 铁(III)离子是氧化剂（因为它使碘离子氧化）。 - 电子由电极 A 流到电极 B。 直接反应 (页190图15.9 ) - 碘化钾被氧化成棕色的碘 (碘溶于碘化钾呈棕色 )，黄色的铁(III)离子则被还原成浅绿色的铁(II)离子，但由于颜色太浅，被碘的棕色盖过。 2I- (aq) + 2Fe3+ (aq) → I2(aq) + 2Fe2+(aq) 碘化钾溶液 硫酸铁(III)溶液 15.8.2 硫酸铁(II)和高锰酸钾溶液的反应 (页191) 直接反应 将硫酸铁(II)溶液加入盛有高锰酸钾和稀硫酸溶液的试管中，并将之混和。 酸化高锰 酸钾溶液 硫酸铁(II)溶液 页191图15.10 混合后，紫色的高锰酸根离子变成无色的锰(II)离子。 这些变化可用离子半方程式表示： +2 +3 氧化作用: Fe2+(aq) → Fe3+ (aq) + e- -7 +1 +2 +1 还原作用: MnO4- (aq) + 8H+(aq) + 5e- → Mn2+(aq) + 4H2O(l) 锰是被还原的元素。 电池反应 (页192) 电子流动的方向 - + 碳电极 碳电极 硫酸铁(II)溶液 酸化高锰酸钾溶液 页192图15.11 化学电池中较复杂的氧化还原反应 在电极 A (-): Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e- 氧化作用 在电极 B (+): MnO4- (aq) + 8H+ (aq) + 5e- → Mn2+ (aq) + 4H2O(l) 还原作用 总氧化还原反应方程式： 铁(II)离子是还原剂，高锰酸根离子是氧化剂。 技能训练 页192 鋅 在鋅的表面生成一層銅 硫酸銅 (II) 溶液 V + 電子的流動方向 鋅片（負電極）氧化作用 銅片（正電極）還原作用 硫酸銅(II)溶液 硫酸鋅溶液 A 鹽橋 - A B + 碳電極 硫酸鐵 (III) 鉀溶液 棕色(碘化鉀溶液中的碘) A