氧化还原反应原理

1氧化还原反应原理的科学性理解的研究辛永平（山西省原平市第一中学034100）[摘要]依照《普通高中化学课程标准》对氧化还原反应所做的规定要求，本文阐述了氧化还原反应概念和原理的科学学习价值，提出了对氧化还原反应进行科学完整性理解的三个阶段。[关键词]氧化还原反应理解自主探究思维模型培养学生运用化学的概念和原理进行自主探究的能力中学化学教育的一个主要目的，氧化还原反应是一个能指导学生进行自主探究的重要概念和原理。一、氧化还原反应概念和原理的科学学习价值氧化还原反应是一个基本的概念和基本的反应原理，在中学化学课程中具有重要的地位。（一）理论价值1、有助于学生更加深刻地理解物质结构与性质的关系。不同元素表现出的不同性质是由其原子结构特别是最外层的电子数目决定的。在氧化还原反应中，活泼金属单质表现出较强还原性，活泼的非金属单质表现出较强的氧化性；不活泼金属元素的简单离子表现出较强的氧化性，不活泼非金属元素的简单离子表现出较强的还原性，并具有一定的递变规律，此规律可在元素周期表中呈现2、指导学生探究元素化合物的性质。如从得氧失氧角度探究H2、C、CO的还原性、CO2的氧化性；从电子得失角度（原子结构角度）探究Na、Cl2、S、N2的性质；从化合价变化角度探究物质的性质，如H2S、K2Cr2O7等。此原理可贯穿于所有元素及其化合物的研究过程中。3、指导学生探究设计物质的制备原理。如实验室中Cl2的制备，工业上制备H2SO4、HNO3的反应原理的设计、工业上制备高纯硅的反应原理的设计等，都以氧化还原反应原理为指导。有机反应中的氧化还原在形式上表现为加氢（去氧）和加氧（去氢）（其实质仍为电子转移），可帮助学生理解官能团之间的转化以及设计简单的有机物合成路线。4、指导推断复杂反应的产物或反应物。如在探究Na和H2O的反应中，可以在氧化还原反应原理的指导下从理论上推知产物是H2和NaOH，使学生的学习在科学概念和原理的指导下进行，减少盲目性。在一些定量反应中，可依据电子得失总数相等来确定未知物。25、指导学生探究设计合理的原电池和电解池。原则上，任意一个自发的氧化还原反应均可设计成一个原电池。理解了原电池和电解池反应的实质是氧化还原反应，可帮助学生深入理解化学能和电能之间的关系，也可根据需要设计原电池和电解池解决实际问题。如失去标志的蓄电池正负极的判断，含K2Cr2O7的酸性工业废水的处理，均可引导学生设计一个电解池来解决。6、帮助学生形成正确的辨证统一的哲学观点。氧化还原反应中氧化过程和还原过程是同时发生、同时存在的，电子得失数目总是相等的。自然界的这一客观规律对学生形成对立统一和物质不灭的哲学观点，建立两点论的思维模型来说是最好的课程内容之一。（二）应用价值1、指导设计物质制备原理。自然界为我们提供的元素绝大多数以化合物的形式存在，而至今人们离不开的金属单质及其合金，必须利用氧化还原反应从矿石中提取。同时，又利用氧化还原反应时刻与其反过程——金属的腐蚀作斗争，寻求防止金属腐蚀的有效方法。有机物的制备可利用官能团之间进行氧化还原反应的特点来设计合成路线，如—NH2可由—NO2通过还原反应来制备，—CO—可由—OH或—C=C—通过氧化反应来制备等等。2、指导滴定分析。许多的氧化还原反应在溶液中进行，而且进行得比较完全，人们可利用这些反应进行物质间的定量分析，如碘量法，高锰酸钾法，重铬酸钾法等等。3、指导分析反应中的未知物质。在许多的科学研究中，需要对未知的生成物或反应物进行推断，人们可利用氧化还原反应中电子得失同时发生且的规律定性或定量地推断未知物质。4、指导实验原理的设计。可利用物质具备的氧化性或还原性设计检验或除去此物质的反应原理，如酒后驾车检测器的制作原理是由乙醇的还原性指导人们去寻找具有强氧化性且反应前后有颜色变化的物质；汽车尾气的无毒排放原理是CO的还原性、NO的氧化性以及相应的热力学理论指导人们去寻找催化剂使二者反应。尽管并不是所有的具有氧化性和还原性的物质都能发生反应，但它给人们提供了一个比较可靠的研究方向，使人们少走弯路。5、指导能量转化研究。所有的燃烧都是氧化还原反应，实现了化学能与热能的转化。化学能与电能的转化，只有在氧化还原反应中才能得以实现。掌握了氧化还原反应的规律，可指导人们有效地利用化学能，造福人类。综上所述，氧化还原反应概念和原理是化学学科中的核心知识，具有很强的基础性、辐射性、扩展性和融合性，以此为中心主线组织课程和教学，能帮助学生将头脑中的知识网络化、结构化，加深对化学反应本质的理解。从一定意义上讲，氧化还原反应是联系物质结构、3性质、制备、含量分析以及能量转化的纽带，是学生进行科学探究的重要理论依据，是中学化学课程必须重点建构的重要内容。二、对氧化还原反应应有的科学理解学生要进行成功的科学探究，必须具备足够的知识基础、对指导探究的概念和原理有完整的科学理解、依据概念和原理建立相应的科学探究模型。对氧化还原反应概念和原理，学生应具备以下完整理解（见下页图）。辨证统一电子化合价失升得降还原产物氧化剂分子热运动热能氧化还原反应电解还原剂电子定向移动电能原电池氧化产物氧化还原滴定未知物推断要能够依据氧化还原反应进行科学探究，学生应经历以下阶段性理解：（一）经验积累阶段有氧参加的氧化反应、燃烧、缓慢氧化为氧化还原反应的学习提供了经验基础，帮助学生从得氧失氧角度初步理解氧化还原反应。定量分析能量转化强于强于物质转化微观实质宏观性质4▲得氧是还原剂，如CO、C、H2可得氧，具有还原性；失氧是氧化剂，如O2、CuO、CO2可供氧，具有氧化性。得氧失氧同时发生，同时存在。▲初步理解元素性质与元素原子的最外层电子数有密切关系。如NaCl、HCl的形成。（二）深化理解阶段在得氧失氧基础上总结氧化还原反应的特点，从电子得失角度理解其实质。▲在氧化还原反应中，氧化得到电子，化合价降低，发生还原反应，生成还原产物；还原剂失去电子，化合价升高，发生氧化反应，生成氧化产物。这两个过程同时发生，相互依存，得失电子总数相等。▲在氧化还原反应中，电子由还原剂传递给氧化剂，生成相应的氧化产物和还原产物，这一过程是强作用代替弱作用的过程。物质氧化剂、还原剂性质的强弱与其电子结构有关，其实质是物质得失电子能力的强弱。对于单质和简单的单原子离子，其氧化性和还原性强弱可由元素周期表来体现：同一主族中，金属元素从上到下原子更易失去电子,单质的还原性增强；非金属元素从上到下原子得电子能力减弱，单质的氧化性减弱。同一周期中，从左到右原子失电子能力减弱，得电子能力增强，单质的还原性依次减弱，氧化性依次增强。▲同种元素之间进行氧化还原反应时，化合价的变化类似于热传递的规律。具体来说，即氧化剂不可能把低价的该元素氧化成和氧化剂相同或更高的价态，还原剂也不可能把高价的该元素还原成和还原剂相同或更低的价态，最多是二者相等。如在KClO3+6HCl=KCl+3Cl2+3H2O中，HCl不能将KClO3还原为KCl，反应中氧化产物和还原产物均是Cl2。又如在H2SO4（浓）+H2S=S+SO2+2H2O中，H2SO4是氧化剂，SO2是还原产物（不是S）；H2S是还原剂，S是氧化产物（不是SO2）。▲重要的氧化剂一般有：活泼的非金属单质，如F2、Cl2、O2等。元素呈高价态时的氧化物，如MnO2等。元素呈高价态时的含氧酸，如农H2SO4、HNO3等。元素呈高价态时的盐，如KMnO4、KClO3、K2Cr2O7、FeCl3等。过氧化物，如Na2O2、H2O2等。元素呈中间价态的物质，如SO2、Na2SO3、FeCl2等。重要的还原剂一般有：活泼的金属单质，如Na、Mg、Al、Zn、Fe等。5某些非金属单质，如H2、C等。元素呈中间价态的物质，如CO、SO2、FeCl2、Na2SO3等。元素呈低价态物质，如HCl、H2S、HI、HBr、NH3等。▲借助于原电池和电解池装置，可使氧化还原反应中的电子发生定向移动，实现电能和化学能之间的相互转化。▲有机物中官能团之间通过加氧、去氢或去氧、加氢实现物质的转化和制备。▲氧化还原反应中转移的电子永远守恒，可据此进行定量计算。总之，学生要能将氧化还原反应中可观察到的宏观现象、反应中电子的微观运动以及化学方程式表示的客观事实有机地联系起来，达到完整统一的科学理解。学生对物质氧化性和还原性理解的标志是：能将物质的微观得失电子能力强弱或化合价态与物质的宏观性质联系起来，并能运用它解释现象、解决一些具体问题。（三）模型化阶段在深化理解的基础上，学生通过具体参与科学探究，可形成科学的思维模型。运用氧化还原反应原理进行科学探究的思维模型有：1、物质性质的探究模型：若是单质或简单的单原子离子，则分析其原子结构或在周期表中的位置，推断其还原性或氧化性强弱及可能发生的化学反应，如Na、N2、I-、S2-等性质的探究；若是复杂分子或离子则分析其组成元素的化合价状态以推断其性质，如对H2O2、NH3等性质的探究。2、物质制备的探究模型：分析要制备物质的化合价，选取相应的反应原料。如实验室中Cl2的制备，首选经济易得的原料NaCl，然后依照其化合价变化选择强氧化剂MnO2或KMnO4。工业制H2SO4、HNO3的反应原理均利用此模型来设计。有机物的合成中，先制得容易获得的基团，如—NO2、—Cl、—OH等，然后再通过去氢或加氧得到所要获得的物质，如—NH2、—CO—等基团的制备，又如—OH、—CHO（—CO—）、—COOH几种物质之间的转化。3、物质检测原理设计的探究模型：分析要检测的物质是否具有氧化性或还原性，然后依其性质选择具有还原性或氧化性的物质。如食盐中KIO3的检测，分析KIO3具有氧化性，应选一种具有还原性的物质来检测其是否存在，可选Na2SO3、NaNO2等。4、推断未知物的探究模型：依据氧化还原反应中化合价有上有升必有降的原理，可首先推断未知物的大致范围。如对新制氯水成分的探究，首先根据氯元素化合价可升可降推测并由实验验证有Cl-，便可推测溶液中一定有另一种含氯的化合物，且化合价呈较高价态。又如Zn6与稀HNO3完全反应的还原产物可由参加反应的Zn与HNO3的物质的量来定量确定。5、设计原电池、电解池的思维模型：将一个能自发进行的氧化还原反应分成氧化和还原两个半反应，氧化反应作负极反应，还原反应作正极反应，构成回路即可得原电池。电解池中阳极发生氧化反应，失去电子，阴极发生还原反应得到电子，依此设计金属的防腐方案或电镀方案等。6、定量浓度分析的思维模型：分析待测物的性质，选取相应的已知浓度的氧化剂或还原剂进行直接或间接滴定，依电子守恒求出浓度。如要求软锰矿中MnO2的含量，首先分析MnO2有强氧化性，可选择有还原性的H2C2O4与其反应。即取一定量的软锰矿，加入已知且过量的H2C2O4与其反应，剩余H2C2O4可由已知浓度的酸性KMnO4溶液滴定，可间接求得MnO2的含量。综上所述，不同的探究主题需要不同的探究模型，形成科学思维模型的前提是理解物质性质与结构的关系，明确氧化还原反应这两个相对立的过程同时发生，反应过程中电子守恒。