化学氧化还原

化学氧化还原（精选12篇）

化学氧化还原 篇1

摘要：简要介绍了化学法还原氧化石墨烯的主要类型和机理,着重对比了几种常用化学还原法的还原效果,探讨了化学还原法的优缺点,包括还原能力、还原条件及还原机理等方面的内容。认为发挥多种还原剂或制备方法的优势,可以获得性能优异的石墨烯,最后展望了其未来的发展方向及其他潜在应用。

关键词：石墨烯,化学还原,还原效果

石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道组成的二维六边形蜂巢晶格材料。自2004年Geim等[1]将石墨烯成功从石墨中剥离出以来,这种材料所具有的高模量(约1100 GPa)、高强度(125 GPa)[2]、良好的导热性(约5000 W/(m·K))[3]、优异的载流子迁移率(200000cm2/(V·s))[4]以及超大的比表面积(计算值为2630 m2/g)[5]等性能使其在电子器件、传感器、储能器件以及复合材料等领域展示出了广阔的应用前景[6,7]。目前石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法[1]、化学气相沉积法[8]、外延生长法[9]、化学氧化还原法[10]、有机合成法[11]、溶剂剥离法[12]和热还原法[13]等。相比而言,化学氧化还原法成本低廉、工艺简单,是最有可能实现规模化制备的方法,因此其研究较为广泛。

化学氧化还原法指先通过天然石墨与强酸(如浓H2SO4、HNO3等)和强氧化性物质(KMnO4)反应生成氧化石墨,经超声分散制备出氧化石墨烯(GO),再通过还原剂(如肼、二甲基肼、对苯二酚、硼氢化钠、氢碘酸等)使GO中的含氧官能团(如羧基、环氧基和羟基等)恢复而获得石墨烯的方法。Stankovich等[10,14]利用肼(N2H4)成功地将GO还原成石墨烯,从而开辟了石墨烯的化学制备法思路,即化学还原氧化石墨法(Chemically reduced graphene oxide, CRGO)。目前化学还原主要有两种方式:一是利用还原剂直接还原剥离的GO分散液;二是通过还原剂对氧化石墨烯基高分子复合材料进行还原。还原剂类型、还原条件以及还原方式对石墨烯的结构和性能有明显影响,因此,石墨烯的还原效果至今仍是研究的热点之一。

本文介绍了化学还原法的主要类型及其原理,重点描述了化学溶剂还原法制备石墨烯的结构变化,对比了几种常用化学还原法的还原效果,探讨了化学还原法的优缺点,为制备高质量的石墨烯提供了新思路。

1 化学还原的类型及其原理

目前,化学法还原氧化石墨烯的主要类型包括:光催化还原法、溶剂热法以及化学溶剂还原法等。光催化还原法利用紫外光(UV)激发使光催化剂(如TiO2)颗粒发生电荷分离,形成空穴和电子,其中光生电子具有强还原性,能被GO中较窄带系的sp2碳团簇有效俘获并将其存储起来,可还原GO中的含氧官能团,从而制备出单层石墨烯。溶剂热法是一种新兴的化学还原方法,其过程是采用有机溶剂作为反应介质,在特制的密闭反应器(高压釜)中,通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度),使反应体系自身产生高压而完成石墨烯材料的制备。化学溶剂还原法即CRG法,是在适当的温度下利用还原剂与氧化石墨烯的反应制备石墨烯。CRG法的第一步是制备GO,GO一般采用Hummers法[15](含改进的Hummers法)、Brodie法[16]以及Staudenmaier法[17](含改进的Staudenmaier法)3种方法制备。石墨经化学氧化后,边缘或表面会含有羧基(-COOH)和羟基(-OH),层间含有环氧基(C-O-C)及羰基(C=O、O-C=O)等含氧基团,从而使石墨层间距从0.34 nm增大到约0.78 nm。因此,在水、DMF等溶剂中,利用超声震荡等机械作用很容易将其剥离成GO。然后通过还原剂去除GO中的含氧官能团,即可获得石墨烯,图1为石墨在CRG法制备过程中的结构转变模型。该法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片,成本低廉、产量高、易实现,应用范围广。

2 CRG法的还原效果

通常采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(RS)、X射线衍射(XRD)、热失重法(TG)等测试方法,对石墨、氧化石墨和还原氧化石墨烯(rGO)的结构进行对比分析,通过观察基团变化衡量CRG法的还原效果。还原剂类型、还原过程和还原条件对还原效果有重要影响,Ren等[20]研究了水合肼(N2H4·H2O)还原的温度依赖性,结果发现,温度越高,还原效果越强。高温条件下(95℃)还原反应主要发生在起始阶段(1h)(如图2所示),环氧基团的含量最终少于1%,已经接近于充分移除的状态,但C-OH基团很难被移除。Li等[21]采用NaBH4为还原剂,研究了温度、时间以及催化剂(无水三氯化铝)对rGO的影响。结果发现,在140℃还原3h后,大多数C-O-C、C-O和C(O)-O基团被充分移除,而C-OH基团有所增加,可能是部分C=O和C-O-C转变成了羟基(如图3所示)。同时发现催化剂能够提高NaBH4对C-OH的还原能力,电导率测试表明C-OH的增加减弱了rGO的导电性。以上研究均表明除C-OH难以还原外,其他含氧基团能被大部分移除,但只有高温条件下才能获得良好的还原效果。

GO的具体结构和组成会随合成方法和合成条件的变化而大幅度变化,其碳氧原子比在4∶1到2∶1之间,还原后,碳氧比会大幅度提高。表1和图4分别给出了Ren等和Li等还原结果的碳氧原子比。如表1所示,95℃水合肼还原3h,GO中的碳氧原子比从3提高到15.1,这已经接近于理论计算值(16.0)[22];而NaBH4在140℃还原仅使碳氧原子比从1.09提高到5.58。由此可见,NaBH4对GO的还原能力也不及N2H4·H2O。Pei等[23]采用氢碘酸(HI)在100℃对PET/GO膜进行了1 h高效还原,碳氧原子比从2.1提高到12。由此可知,还原剂对GO还原能力的大小关系为:N2H4·H2O>HI>NaBH4。

还原后,GO的微观结构和特性会发生较大变化,因此,也可通过外观对还原效果进行判断。图5为Zhou等[24]以连二亚硫酸钠(Na2S2O4)还原PVA/0.3%(质量分数)GO的颜色转变效果,复合薄膜由初始的棕黄色变为还原后的黑色。Pei等在恒温水浴中以55%的HI酸溶液还原PET/GO膜,并与常温下85%的N2H4·H2O和50mmol/L NaBH4的还原效果作了对比(如图6所示)。NaBH4还原体系在初始产生了大量气泡(H2),N2H4·H2O在10s后也出现了类似现象,16h后两类还原体系都使PET/GO膜破损而漂浮在溶液表面且覆盖有气泡,而PET/GO膜在HI还原体系中能够保持稳定的还原状态,由此推断HI溶液更容易还原GO,结合碳氧原子比和导电率测试等验证了HI的还原能力比N2H4·H2O和NaBH4强,该结论与对比碳氧原子比得出的还原能力强弱不尽相同。

通过测试石墨烯基复合材料的导电性也可对还原效果进行评判。Hyeon-Jin Shi等[25]选用NaBH4和N2H4还原PET/GO复合膜,通过对比复合膜的电导率发现,NaBH4还原氧化石墨烯比N2H4还原的效果好,原因可能是NaBH4还原为氧化石墨烯复合膜提供了更多空穴。导致电导率不能大幅度提高的原因有两点:一是还原剂不能完全去除GO上面的含氧官能团,部分含氧基团还原后转变为羟基,并没有形成共轭π键;二是形成了新的化学键。Ren等[20]从XPS和FT-IR图谱发现N2H4·H2O还原后的GO上含有C=N结构,Hyeon-Jin Shi等[25]通过XPS发现N2H4还原的产物中生成了C-N结构。

马文石等[26]和Ren等[20]的研究结果表明,经N2H4·H2O还原后,氧化石墨中的一部分sp3杂化碳原子被还原成石墨的sp2杂化碳原子,但其结构并没有完全恢复到原有的石墨状态。Zhu等[27]研究发现, N2H4·H2O的用量和反应时间与官能团的还原程度呈指数函数关系,通过实验测得N2H4·H2O还原-OH最容易,最难还原C-O-C基团,C=O介于两者之间,这显然和Ren、Li等的研究结果有比较大的差异。

综上所述,CRG法对含氧官能团有显著的还原效果,能够方便地制备出石墨烯材料。但CRG法也只能部分还原氧化石墨烯,并不能完全去除氧化石墨烯上面的含氧官能团,而且CRG法的还原效果容易受到反应温度、反应时间、催化剂、还原剂用量等各种参数的影响。然而目前的研究结果存在较大分歧,因此,对于CRG法还需进一步研究不同条件下(温度、时间、用量、溶剂等)还原剂对GO的还原性能,探索其还原机理。在当下没有合适的制备高质量石墨烯的新方法的情况下,不妨尝试发挥多种还原剂或制备方法的优势,相互取长补短,解决制备石墨烯材料及其当下应用的难题。此外,迫切需要研究者们努力寻找可批量、可调控制备高质量石墨烯的新方法。

3 结语与展望

石墨烯作为一种新型独特、性能优异的物理材料,在制备方面取得了重大研究进展。虽然CRG法的制备工艺容易破坏石墨烯的原始结构,一定程度上限制了其电学、热学以及力学性能等方面的应用,但作为目前实现大规模制备石墨烯的重要方法,从其研究进展可以发现,获得高质量石墨烯的困难基本得到解决,为实现石墨烯的实际应用奠定了科学和技术基础。

随着石墨烯基础研究的不断深入,石墨烯的应用将是未来研究的重点方向之一,石墨烯基纳米复合材料在储能材料、光电材料、场发射材料、液晶显示屏以及微电子器件等领域的应用前景将更加广阔。此外,石墨烯能有效地与有机污染物发生强的络合反应,产生较强的吸附作用,由此可预见石墨烯将在废弃物环境污染治理工作中发挥巨大的作用。

化学氧化还原 篇2

从整个课堂氛围来看，学生积极配合，能积极主动的思考配合老师的教学计划；从整堂课效果来说，学生学会了如何去判断氧化还原反应，达到了教学目的。但本次课还是存在很多不足的地方。第一，由于教学经验的缺乏，以至于在教学的过程中部分重难点把握不是很好，导致整堂课的时间分布不是理想，有的地方讲解不到位，有的地方又显得很罗嗦；第二，讲课的声音很大，把很多学生的耳朵都震晕了，导致部分学生听课效率不高、昏昏欲睡，我会在以后的教学工作慢慢学习抑扬顿挫；第三、由于用了 ppt 教学，很多东西在黑板上板书不是很多，虽然有了新时代教学方式，但我们也不能忘了传统的粉笔板书。

化学氧化还原 篇3

一、基本概念及计算

氧化还原反应的基本概念和关系的判断是本专题的基本考点，而氧化还原反应的考查还是和实际应用联系起来，比如水处理技术等。

例1.（2011·上海高考,18）氧化还原反应中，水的作用可以是氧化剂、还原剂、既是氧化剂又是还原剂、既非氧化剂又非还原剂等。下列反应与Br2+SO2+2H2O=H2SO4+2HBr相比较，水的作用不相同的是

A． 2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

B． 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

C． 2F2+2H2O=4HF+O2

D． 2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑

解析：这是一道氧化还原的基本概念题。考察的是氧化剂和还原剂的概念辨析，难度不大。反应Br2+SO2+2H2O=H2SO4+2HBr中，水既非氧化剂又非还原剂。A项中水既非氧化剂又非还原剂；B项中水既非氧化剂又非还原剂；C项中水作还原剂；D项中水作氧化剂。

答案：CD

例2． （2011·上海高考，5）高铁酸钾( K2FeO4)是一种新型的自来水处理剂，它的性质和作用是

A． 有强氧化性，可消毒杀菌，还原产物能吸附水中杂质

B． 有强还原性，可消毒杀菌，氧化产物能吸附水中杂质

C． 有强氧化性，能吸附水中杂质，还原产物能消毒杀菌

D． 有强还原性，能吸附水中杂质，氧化产物能消毒杀菌

解析：考虑元素的价态对氧化性与还原性的影响，并且要区分水的消毒与净化。高铁酸钾( K2FeO4)中Fe的化合价是+6价，具有强氧化性，其还原产物Fe3+水解生成氢氧化铁胶体，能吸附水中杂质。

答案：A

二、离子反应

离子反应问题几乎年年必考，而且比较稳定。通过分析今年的几份试题 ，我们不难发现，在复习时难度不宜加大，基础的练习才是我们制胜的法宝，基础性的氧化还原反应类型中的离子共存考查和离子方程式的正误辨析非常重要。

例3.（2011·安徽理综，8） 室温下，下列各组离子在指定溶液中能大量共存的是

A. 饱和氯水中 Cl－、NO－3、Na+、SO2－3

B. c(H+)=1.0×10-13 mol·L－1 C6H5O-、K＋、SO2-4、Br-

C. Na2S溶液中 SO2－4、K＋、Cl－、Cu2＋

D. pH=12的溶液中 NO－3、I-、Na+、Al3+

解析：本题考查氧化还原反应以及离子反应等知识。A 项氯水会氧化SO2－3；B项在碱性环境下各离子可以共存；C 项会生成CuS沉淀；D 项Al3+不能存在于碱性环境。

答案：B

例4.（2011·江苏理综，4）常温下，下列各组离子在制定溶液中一定能大量共存的是

A. 1.0 mol·L－1的KNO3溶液：H＋、Fe2＋、Cl－、SO2－4

B. 甲基橙呈红色的溶液：NH＋4、Ba2＋、AlO－2、Cl－

C. pH＝12的溶液：K＋、Na＋、CH3COO－、Br－

D. 与铝反应产生大量氢气的溶液：Na＋、K＋、CO32-、NO-3

解析：本题以溶液中离子共存的方式考查学生对硝酸的氧化性、亚铁离子还原性，A项错误；甲基橙呈红色水溶液呈酸性、酸性溶液中AlO2-不能在其中共存，B项错误；与铝反应产生大量氢气有强酸碱性两种可能，在酸性条件下CO32-不能大量共存；C项是碱性条件，离子能大量共存，因此正确。

答案：C

例5.（2011·全国卷理综，12）能正确表示下列反应的离子方程式为

A. 硫化亚铁溶于稀硝酸中：FeS+2H+=Fe2++H2S↑

B. NH4HCO3溶于过量的NaOH溶液中：HCO-3+OH-=CO2-3+H2O

C. 少量SO2通入苯酚钠溶液中：C6H5O-+SO2+H2O=C6H5OH+HSO-3

D. 大理石溶于醋酸中：CaCO3+2CH3COOH=Ca2++2CH3COO-+CO2↑+H2O

解析：A项中硝酸有强氧化性，-2价的硫被氧化，不能生成H2S。B项中漏掉了NH+4与OH-的反应。C项中应生成SO32-。D 项CaCO3中不溶于水，CH3COOH为弱酸，正确。

答案：D

三、基础实验

选择题形式的基础实验也是高考的常见题型，这部分涉及到基本的实验操作和元素化合物的性质以及检验，而考查点一般是离不开氧化还原反应的。这些内容正是我们要回归教材的内容之一，需要在复习的时候注意认真梳理。

例6.（2011·四川理综，11）下列实验“操作和现象”与“结论”对应关系正确的是

解析：向Fe(NO3)2溶液中加入H2SO4，会发生氧化还原反应：3Fe2＋＋NO－3＋4H＋=3Fe3＋＋NO↑＋2H2O，产生的NO在管口生成NO2呈现红色，而不是HNO3分解产生NO2，故A项错；应加入碱将水解后的淀粉溶液调节成碱性，才可以产生红色沉淀，故B项错；乙醇和浓硫酸反应制取乙烯的过程中，会有少量的SO2产生，也可以使酸性KMnO4溶液褪色，故C项错；饱和Na2CO3溶液中通入CO2发生反应：Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3，由于产生的碳酸氢钠溶解度较小，会从过饱和溶液中析出，故D项正确。

答案：D

例7.（2011·安徽理综，10）下列有关实验操作、现象和解释或结论都正确的是

解析：本题综合考查化学实验以及元素化合物的相关知识。A 项，在硝酸与铁的氧化还原反应中，产物铁是什么价态，与量有关系，铁粉过量应该生成Fe2+，不会有红色出现；B 项AgCl溶解度比Agl大；C 项Al箔插入浓HNO3中才会形成致密的氧化膜钝化。故D项正确。

答案：D

四、电化学

电化学的考查要点还是基本的原理、金属的腐蚀及防腐的方法，而电极反应式的书写是着重考查氧化还原反应的，考查的方式以选择题和填空题为主。

例8.（2011·海南化学，6.）一种充电电池放电时的电极反应为

H2+2OH--2e-=2H2O；

NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-

为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是

A. H2O的还原 B. NiO（OH）的还原

C. H2的氧化 D. NiO(OH) 2的氧化

解析：考查二次电池中的氧化还原问题。由题中给出的电极反应可判断出做原电池时，H2是还原剂被氧化、NiO(OH)是氧化剂被还原，则充电时H2是还原产物、NiO(OH)是氧化产物，与正极相连的是阳极发生氧化反应，故“NiO(OH) 的氧化”正确。

答案：D

例9.（2011·浙江理综，10）将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。

下列说法正确的是

A． 液滴中的Cl-由a区向b区迁移

B． 液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：

O2＋2H2O＋4e-=4OH－

C． 液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH-形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D． 若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为Cu－2e- = Cu2＋

解析：本题考查氧化还原反应、电化学等方面知识。试题创设了一个钢铁腐蚀情景，让考生灵活运用所学知识，来解决实际问题。

(a)负极电极反应为：Fe-2e- = Fe2＋ （发生氧化反应）

（b）正极电极反应为：O2 + 2H2O + 4e-= 4OH― （发生还原反应），C项错误；

若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，由于Fe的金属活动性比铜强，Fe 仍为负极，负极发生的电极反应为：Fe－2e-=Fe2＋，D项错误；

根据在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极的规律，Cl－应由b区向a区迁移，A 项错误；故B 项正确。

答案：B

五、综合应用

氧化还原作为一道单独的大题来考查，除了考查基本的的概念和规律，还有的就是综合计算和电化学的结合考查，考查的点多、面广，综合要求较高。氧化还原计算更是考查的重点，这也是广东考纲2011年与2010年相比，唯一的新增考点,在2012年的复习中尤其注意把握。

例10.（2011·上海24）雄黄(As4S4)和雌黄(As2S3)是提取砷的主要矿物原料，二者在自然界中共生。根据题意完成下列填空：

（1） As2S3和SnCl2在盐酸中反应转化为As4S4和SnCl2并放出H2S气体。若As2S3和SnCl2正好完全反应，As2S3和SnCl2的物质的量之比为 。

（2）上述反应中的氧化剂是 ，反应产生的气体可用 吸收。

（3） As2S3和HNO3有如下反应：As2S3+ 10H++ 10NO-3=2H3AsO4+ 3S+10NO2↑+ 2H2O 若生成2mol H3AsO4，则反应中转移电子的物质的量为 。若将该反应设计成一原电池，则NO2应该在

（填“正极”或“负极”）附近逸出。

（4）若反应产物NO2与11.2L O2（标准状况）混合后用水吸收全部转化成浓HNO3，然后与过量的碳反应，所产生的CO2的量 （选填编号）。

a． 小于0.5 mol b． 等于0.5 mol

c． 大于0.5mol d． 无法确定

解析：（1）根据电子得失守恒知1molAs2S3作氧化剂得到2mol电子，而1molSnCl2作还原剂失去2mol电子，所以二者的物质的量之比是1：1；（2）H2S是还原性气体可用碱液吸收或硫酸铜溶液吸收；（3）As2S3作还原剂，转移电子的个数是2×（5－3）+3×（0+2）＝10。NO2属于还原产物，在正极生成；（4）根据电子守恒可知生成CO2的量是0.5mol×4/4＝0.5mol，但考虑到随着反应到进行，硝酸的浓度会降低而稀硝酸不与碳反应。

答案：（1）1：1 （2）As2S3 氢氧化钠溶液或硫酸铜溶液（3）10mol 正极（4）a

(作者单位：北京师范大学珠海附属高级中学）

二氧化碳电化学还原催化剂 篇4

面对日益恶化的能源与环境问题, 各国政府高度重视CO2的减排、捕获和固定工作[3—5]。另一方面, CO2作为最丰富的碳源, 为转化成高附加值燃料或精细化学品提供了契机[6,7]。挖掘新的人工碳循环, 将CO2有效回收利用, 促使其转化为新型、绿色的碳资源, 将对人类环境和能源方面具有革命性意义。

CO2具有极强化学稳定性, 按现有科技手段及水平, CO2再利用能力远低于其产生的规模和速度。实现新的人工碳循环需要深入认识CO2活化理论、开发高效催化剂以打开高强度C—O键, 为形成新的C—H键或C—C键垫定基础[8]。关于CO2转化已有大量文献报道, 主要集中于表1所示的对CO2进行催化加氢、光化学或电化学转化, 或者与天然气的催化重整制合成气等。传统的化学转化方法通常在高温高压下进行, 对能量供给、设备强度和安全性均有较高要求。

CO2电化学转化, 或称CO2电化学还原, 能够有效利用可再生的电能, 为“碳中和” (Carbon-neutral) 战略提供有效途径, 具有较好的研究和应用前景[9]。其优点可归纳为三点[10,11]: (1) 电还原反应可在温和条件下进行, 即不需高温高压; (2) 电化学设备可获得较其他化学转化设备更高的能量利用效率; (3) 通过电极电位可以直接控制催化剂表面自由能, 为控制反应速率和产物选择性创造条件。

目前, CO2电还原工作主要集中于探索新型催化剂[14]以及相应产物的生成机理考察[15]。此外, 反应条件[16]和电化学反应器[17]的探索也为关键材料提供了工程验证。研究焦点集中于[18,19]: (1) 高能量效率 (高法拉第效率或电流效率) , 即对特定产物具有高收率和选择性, 并能有效降低过电位; (2) 高反应速率 (高电流密度) 。因而本文综述了CO2电还原关键技术———催化剂的最新研究进展, 结合各种CO2催化技术的原理和特点分析了这些技术的优势与不足, 并对CO2的催化转化前景进行了展望。

CO2电化学还原理论始于19世纪, 在最近30年里已有长足进步[20,21]。CO2电化学还原较常见产物为甲酸[17,22]、CO[23,24]和乙烯[25], 也可通过6电子或8电子反应生成甲醇[13]和甲烷[26]。生成各种产物的热力学电位参见方程式 (1) ~式 (7) : (p H=7, 水溶液, vs.NHE, 25℃, 1 atm (1atm=101 300Pa) , 1 M溶质) [27]:

CO2的电化学还原主要包括CO2活化和加氢过程, 是复杂界面的多步反应, 涉及得失电子、吸附解析等复杂进程, 由于整体反应受第一步———CO2活化过程中的单电子还原反应制约 (反应式 (7) ) [28], 且通常在高过电位才能发生, 因此, 降低该步过电位是提高整体反应能量效率的关键。

CO2电化学还原产物的收率和选择性影响因素众多, 但其关键技术主要是通过催化剂的界面作用, 从而现有研究可分为异相、均相催化剂两个方面。

1 异相催化剂

1.1 传统金属电极材料

电极材料性质强烈影响电催化过程, SánchezSánchez等对不同金属的电化学还原CO2的界面行为、产物分布进行了详细的介绍[29]。由于CO2电还原中常伴随析氢反应 (hydrogen evolution reaction, HER) , 其竞争作用对CO2还原产物有较大的影响, 从而根据析氢电位不同, 可将传统金属电极材料大致分成以下四类[30]:

第一类, 较高析氢过电位材料, Pb、Hg、In、Sn、Cd、Tl、Bi等, 主要产物是HCOO-;

第二类:中等析氢过电位材料, Au、Ag、Zn等, 主要产物是CO;

第三类:较低析氢过电位材料, Ni、Fe、Pt、Ti等, 主要产物是H2;

第四类:Cu, Cu具有独特的电催化性质, 可生成多种燃料产物, 其中, CH4和C2H4含量较大引起了高度关注。

1985年, Hori等[31]最先发现CO2在Cu电极上还原时具有特殊燃料化行为。2006年, Gattrell[18]对水体系Cu电极上CO2还原成CH4、C2H4的过程进行总结, 认为吸附态的CO是该多步反应重要的中间体且铜电极的晶体结构直接影响反应进程。Peterson等[32]应用密度泛函理论 (DFT) 深入分析了反应机理, 认为Cu催化CO2还原的速控步骤是吸附态CO质子化形成吸附态CHO的过程, 提高CHO稳定性将有助于降低过电位。Durand等[33]进行了理论拓展, 深入探索了多晶Cu的晶体结构对产品选择性影响, 发现中间产物在面心立方晶格 (211) 面上具有更高稳定性, 更易得到产物CH4。最近Schouten等[34]利用在线质谱, 发现在C1途径中吸附态CHO是关键中间态, 其C—O键断裂易形成甲烷, 而并行的C2途径可能遵循首先形成吸附态羰基二聚物、之后形成吸附态的烯二醇或金属环氧中间体, 最后得到产物乙烯的路线。

传统金属电极有助于分析及认识机理, 但目前仍存以下问题[30]: (1) 过电位往往高达1.0 V; (2) 特定产物的选择性不高, 竞争反应 (HER) 影响较大; (3) 电极因微量杂质易导致失活现象[35]。

1.2 电极的改性

对传统金属电极进行氧化、电沉积、纳米化处理等改性手段, 可以有效提高催化剂的比表面积和活性点, 提高特定产物的选择性和电流效率, 为生成长链烷烃、醇类等新型燃料提供了可能。

1.2.1 氧化处理

Li等[36]将Cu金属薄片在空气中退火, 形成高比表面积的微米级Cu2O层, 发现金属氧化物有助于提高反应效率。其实验发现, 经500℃灼烧形成的Cu2O层的Cu电极还原CO2的过电位较传统多晶Cu电极减少0.5 V, 可选择性的生成约40%的CO和33%的HCOOH, 电流密度可达2.7 m A/cm2。

Chen等[37]则对Sn进行了两种方法的氧化处理, 通过比较空气侵蚀的Sn电极和Ti上电沉积Sn/Sn Ox电极的CO2电还原性能, 发现电位在-0.50~-0.70 V (vs.RHE) 下, Sn/Sn Ox-Ti电极对CO和HCOOH具有4倍于传统Sn电极的电流效率、8倍电流密度, 性能优异的原因在于原位电沉积法促进了电极表面活性点的增加。Le等[38]则采用同样的方法在Cu电极表面电沉积Cu2O薄膜, 在-1.1 V (vs.SCE) 可将CO2电还原为CH3OH, 电流效率为38%, 并推测了Cu (I) 在该过程中的重要作用。

1.2.2 纳米化电极

纳米材料改变了CO2电还原进程, 提高了反应效率, 同时也促使产物碳链化、液体化, 更易于储存和运输[39,40]。将金属或金属氧化物进行纳米化处理, 或在纳米载体负载是目前研究热点[41]。Kauffman等[42]以油酸包覆的Cu2O和Cu O纳米颗粒为电极进行CO2电还原, CO产率是普通铜氧化物的1.7倍。Qu等[43]以Pt电极为基底, 使Ru O2-Ti O2纳米管或纳米颗粒在其表面形成一层薄膜制备改性电极, 在低过电位下, 电还原CO2产物为甲醇, 电流效率达60.5%。

碳纳米担载型催化剂对CO2电还原具有独特性质[44,45]。2007年, Centi课题组[46]将Pt纳米颗粒和炭黑热压于Nafion膜上制成Ptnano-C气体扩散电极, 其CO2电还原可得到长链烷烃 (>C5) 。随反应时间延长, 产物的碳链逐渐增加。工程验证表明, 采用间歇电池反应器, 产物主要是C1~C3烃类物质, 而使用连续电池反应器可产生C1~C9烃类, 为燃料生成奠定了基础。

近来, Gangeri等[47]合成Fe/碳纳米管 (CNT) 和Pt/CNT并制备气体扩散电极, 发现CO2电还原在发生18电子转移时, 均可制备异丙醇, 且Fe/CNT对异丙醇具有更高电流效率。Arrigo等[48]将氧化铁纳米粒子负载在氮功能化的碳纳米管 (Fe Ox/N-CNT) 和氧化纳米管 (Fe Ox/CNTOx) 表面, 发现前者对异丙醇生成具有高活性、高选择性。进而应用CO2吸附微量量热法, 发现Fe Ox/N-CNT中高密度分布的可逆化学吸附区是提高催化效率的关键结构因素。

1.3 电解质溶液的影响

电解质溶液的界面作用对电催化过程具有重要影响。最近, Wu等[49]采用Sn作为工作电极, 考察了碱金属阳离子 (Na+、K+、Cs+) 在水体系中对CO2电还原产生甲酸的影响, 同时应用双电子层 (EDL) 的GCS模型分析了界面过程。发现Na+的较小离子半径, 有利于降低其在溶液中的介电常数, 进而导致其外亥姆霍兹平面 (OHP) 电位降低, 从而更有利于电子和质量传递, 因此对甲酸具有更高的电流效率。

除了水体系外, 有机溶剂 (如乙腈、DMF等) 具有较高的CO2溶解度, 可有效提高CO2传质效率, 因无质子供体使析氢竞争反应大大降低。然而有机溶剂毒性大, 反应过程中电流密度较低等缺点均限制了其进展[50—52]。

新型离子液体以其独特理化性质及特有功能引起了高度关注, Rosen等[53]报道了在1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸离子液体 (EMIM-BF4) , 使用Ag电极时, CO2电还原过电位仅为0.2 V, 电流效率达到96%。其中EMIM与CO2自由基阴离子结合有助于降低该反应的自由能。进而Rosen通过表面和频光谱分析系统 (sum frequency generation, SFG) 证实了反应过程中EMIM-CO2中间体的存在[54]。另一个较新颖的发现是, 采用EMIM-BF4和水的混合电解质溶液, 使用纳米结构的二氧化钛膜电极对CO2进行电还原, 在-1.50 V电位下 (vs.SCE) 可产生电流效率为8%~14%的低密度聚乙烯 (LDPE) [55]。反应中, Ti O2/Ti2O3氧化还原电对有助于CO2自由基阴离子的生成, 而离子液体对CO2的作用保证了电极表面的CO2浓度, 从而该研究揭示了未来精细化合成的重要方向。

2 均相催化剂

在异相催化剂不断深入的同时, 均相催化剂作为CO2电还原的重要分支也在不断前进。该类催化剂具有金属有机框架结构, 通过金属变价实现电子转移, 而配体提供了较理想的电子和空间环境, 可以有效稳定变价金属和其与CO2形成的活化中间体。因此, 对金属中心和配体结构进行优化将有助于提高能量效率和反应速率[56]。

图1简要描述了均相电催化还原CO2过程:均相催化剂在溶液中与CO2结合, 而后在电子驱动下发生还原。依据配体的种类通常可把均相催化剂大体分为以下三种:大环类配体, 联吡啶配体和膦配体[35] (图2) 。

2.1 大环类配体

20世纪70年代, Meshitsuka等[58]尝试采用具有18π电子的酞菁为配体的Co、Ni配合物, 实现了CO2的电催化还原。1980年, Fisher等[59]使用氮杂环钴、镍配合物, 发现在-1.3~-1.6 V (vs.SCE) 下生成CO和H2的混合气体, 其高达98%的电流效率尤为突出。之后, Collin等发现当使用十四元大环镍配合物[Ni (cyclam) ]2+[cyclam=1, 4, 8, 11-四氮杂环十四烷, 图2 (a) ]时, 在汞电极上进行CO2还原, 在-0.86 V (vs.SCE) 下得到产物CO, 电流效率高达96%, 该配体可以较好的稳定Ni I中间态, 而且其具有dz2型亲核多电子平面结构, 可使CO2更易接近活性中心, 促进反应高效进行[60,61]。基于此结构, 在优化Ni中心的电子环境方面进行了诸多拓展。

Saravanakumar等[62]将聚丙烯胺 (PALA) 骨架植入Ni (cyclam) 2+中得到Ni (cyclam) -PALA[图2 (d) ], 该催化剂可以在玻碳电极上将CO2还原成CO (-0.78 V vs.Ag/Ag Cl, p H=8, 50 mmol/L三羟甲基氨基甲烷缓冲液) , 很接近其理论热力学电位值, 且电流效率超过90%。分析得出4-吡啶基团的大π键的电子效应和PALA中质子化氨基与金属中心的相互作用, 可有效稳定还原态Ni, 通过改善Ni中心电子环境以降低电催化过电位。Schneider等[63]探索了一系列与[Ni (cyclam) ]2+结构相似的大环类镍配合物催化剂, 并讨论p H值对产物选择性的影响, 发现[Ni (HTIM) ]2+[HTIM=C-RRSS-2, 3, 9, 10-四甲基-1, 4, 8, 11-四氮杂环十四烷, 图2 (b) ]与[Ni (MTC) ]2+[MTC=2, 3-反式-环己烷-1, 4, 8, 11-四氮杂环十四烷, 图2 (c) ]对CO2还原成CO具有更高催化效率。通过结构分析推断, 两种配合物的几何学特性使其更易在汞电极表面吸附, 同时甲基或环己烷对环拉胺骨架的电子效应是提高催化性能的主要原因。而还原过程随着p H降低 (5~2) , 产物中H2的选择性增加。Thoi等[64]合成了一系列氮杂环吡啶-碳烯镍螯合物[图2 (e) ], 具有对CO选择性高、不含H2、转换频率 (TOF) 为4~6 h-1的优点。值得注意的是, 由于含有烷基链状结构, 当碳链延长时会使NiII/I电对转换电位从-1.69V正移到-1.46 V (vs.SCE) , 利于降低CO2还原过电位, 从而促进能量节约化操作。

卟啉配体的金属配合物对CO2电还原具有催化活性。铁 (0) 卟啉配合物在Bronsted酸如1-丙醇, 2-吡咯烷, 三氟乙醇存在时, 可以将CO2还原为CO。TOF高达350 h-1且单个循环失活率仅为1%, 催化剂寿命显著延长。在汞电极上的还原电位降至1.5 V (vs.SCE) [65]。对于钴卟啉配合物 (Co P, P=porphyrin) , 同样具有CO2电还原为CO能力[66]。最近Leung等[67]使用DFT对钴卟啉催化进行了分析, 确定了电子转移的四个连续步骤, 即 (1) [Co IP]2-与CO2结合成[CoIPCO2]2-; (2) [CoIPCO2]2-质子化生成[CoIIPCOOH]-; (3) C—O断裂得到[CoIIPCO]; (4) CO释放、催化剂还原。同时发现水中氢键作用使中间产物[CoIPCO2]2-和[CoIIPCOOH]-稳定, 有助于CO2中C—O键断裂。

铜配合物具有独特优势, 可在温和条件下直接分离并固定空气中的CO2形成碳酸酯配合物。多齿大环三联吡啶-胺配体铜配合物通过内氢键的相互作用形成双核碳酸铜[68] (如图3所示) , 在-1.0~-1.25 V (vs.Ag/Ag Cl) 迅速响应并形成CO2自由基阴离子, 之后歧化形成CO和CO3[69]。为一碳合成创造了条件。

2.2 膦配体

Simón-Manso等[70]探索了双核Ni (0) 双膦配合物[Ni2 (μ-dppa) 2 (μ-CNR) (CNR) 2][R=Me, nBu, 2, 6-Me2C6H3;dppa=双 (二苯基膦) 胺, 图2 (f) ]对CO2电催化行为, 发现R为正丁基时, 在-0.99 V (vs.Fc+/Fc) 发生不可逆单电子还原, 可产生歧化产物CO和CO32-, 当有水存在时, 增加了生成甲酸的竞争途径。推测在反应过程中双核Ni (0) 可有效活化CO2。该类催化剂可为合成具有CO2催化活性的膦基多核配合物提供了指导。

对于钯配合物, 以三膦基配体可对CO2还原具有较好的活性。Rakowski等[71]发现三膦钯配合物Pd (P3) 可以选择性的将CO2还原成CO, 速率常数可在5~300 (mol/L) -1·s-1之间 (如图4 (a) 所示) 。机理上, 在高酸度时CO2可与Pd (I) 中间体结合, 是速控步骤;而CO2在低酸度下C—O键发生断裂可得到CO。同时, 为防止配合物中的Pd形成二聚体从而降低活性中心数量, R基常使用空间位阻较大的基团, 如环己基等。

将两个单核Pd (P3) 组分通过芳基间位连接, 其空间效应可有效阻止Pd形成二聚体从而大幅提高转化数 (TON) [如图4 (b) 所示], 但金属活性中心间没有协同作用, 还原速率并无明显提升[72]。

膦配体铱配合物提供了将CO2电还原成甲酸的途径[73]。在5%水/乙腈混合体系中以 (POCOP) Ir H2 (在乙腈溶液中以 (POCOP) Ir H2 (Me CN) 形式存在, 如图5a所示) 作为催化剂, 控制电位在-1.45 V (vs.NHE) 电解25 h, 可得产物甲酸, 电流效率达到85%, TON为40。从反应机理进行分析, 整个过程具有两个显著特征: (1) 铱催化作用, 通过Ir (III/I) 变价将CO2选择性还原生成甲酸, 而非CO, 且与铱相连的氢基不会被电解活化而发生析氢反应; (2) 溶液体系中少量的水对反应具有促进作用, a在水的存在下可迅速与CO2作用经历中间态b而生成带有一个单位正电荷且更易得电子Ir (III) 配合物c, 同时产生甲酸根, 另外, 在电解过程中, 水为催化剂a的复原提供了质子。

2.3 联吡啶配体

以联吡啶为配体的配合物中, Re和Mn最具代表性。Re系改性联吡啶基配合物[如图6 (a) 所示]可以有效的将CO2电催化成为CO[74]。Smieia等发现, 当以p Ka (酸度系数) 增加的规律改变取代基团 (X=COOH

同样是联吡啶基催化剂, Mn作为地球上含量排名第三的过渡金属, 体现了更大的优势。联吡啶锰配合物[如图6 (b) 单核、6 (c) 双核]与联吡啶铼配合物具有相似的结构。而通过比较研究, 在保证选择性和电流效率一致的情况下, Mn催化剂比Re催化剂具有更低的过电位 (减少0.40 V) [75]。

2.4 其他均相催化剂

最近, Angamutha等[76]合成一种新型双核铜配合物用于吸收CO2并使其转化成内草酸。如图7所示, Cu (I) 配合物a置于空气中, 可专一与CO2作用形成b而不受O2影响, 这条途径提供了一种低能稳定CO2自由基阴离子的过程;之后b通过二聚作用形成四核草酸根桥联配合物c。由于整个过程在乙腈中进行, 当加入Li Cl O4时, c可以与之反应并生成Li2C2O4沉淀。最后在电位为-0.03 V (vs.NHE) 下, Cu (II) 脱去Me CN被还原成Cu (I) , 催化剂复原。该过程的优势在于可利用铜配合物的特性, 在较低过电位下简单而有效的将CO2还原成草酸。但存在的缺点是TOF较低且生成的Li2C2O4附着在电极上会影响电子传递。

吡啶及其衍生物同样具有电催化CO2的能力。Seshadri等[77]首次以吡啶作为均相催化剂对CO2进行还原, 以氢化后的Pd为电极, 在过电位仅为0.2 V条件下, 得到6电子产物甲醇, 电流效率约30%。而后Barton等[78]将吡啶用于p-Ga P光电催化系统, 得到了电流效率接近100%的甲醇, 过电位为0.3 V。针对上述结果, Cole等[79]深入讨论了该过程反应机理 (如图8所示) , 得出吡啶自由基可以与相关中间产物 (甲酸、甲醛) 相互作用, 通过连续电子传递得到6电子还原产物甲醇。该过程证明了在没有变价金属参与下, 简单小分子有机物同样具有高效催化CO2的能力。

Smith等[80]发现一些富含氮基如苯并咪唑和吡啶/联吡啶的高聚物, 对CO2也具有相类似的电催化活性。相比较而言, 含有联吡啶的高聚物具有更高的催化电流, 可以推断含氮基团越多电子传递能力越强。

3 CO2的光电催化

以电化学理论为基础, 其衍生学科光电催化还原CO2也得到了初步发展。光电还原常采用双金属、n型或p型半导体或过渡金属配合物作为催化剂, 以光为主要的能量来源[81]。最近, Ampelli等[82]提出了光电催化 (PEC) 反应器的新颖概念, 见图9。以Ti O2为阳极, 通过光解水产生电子和质子, 而后传递到阴极诱导阴极催化还原CO2。利用已报道的Fe/CNT或Pt/CNT可作为阴极膜电极催化剂主要得到6电子还原产物异丙醇。

在光电催化基础上, Bensaid等[9]进一步提出了人工树叶的概念, 为模拟自然界光合作用提供了前瞻性的想法;与此同时, 利用辐射技术的辐射电催化也有望提供一条新的还原途径, 促使革命性变革的到来[83]。

4 总结与展望

CO2的电催化还原是未来解决能源环境问题的一项重要技术, 其以大量廉价的CO2作为碳资源制备高附加值化工产品具有较强的经济效益。本文以异相、均相催化两方面作为关键技术综述了CO2电催化还原的研究进展, 同时对新兴的光电催化技术进行了简要的介绍。

从关键技术来看, 异相电催化通过电极改性提高CO2的催化效率仍是未来研究主体, 而催化剂的纳米化则是该领域的重点突破方向, 同时增大比表面积提高活性位点数量, 以增加发生多电子反应的几率, 为电极催化剂的改性提供了广阔的空间。此外, 电解质溶液的影响有助于界面协同, 促进CO2电还原的高效进行, 新型离子液体有助于降低反应过电位、生成精细产品, 从而为电还原CO2的资源化利用提供了可能, 促进产物的选择性、均一化将成为未来的重点。但其机理仍须精确调控。

对于均相催化, 已明显表现出产物专一、高电流效率优势, 但现有问题在于电还原CO2中反应速率较慢且往往只发生2电子还原过程, 难以得到更高级多电子产物, 同时均相催化基于自身特点, 仍难于将催化剂与产物进行分离与回收。因此, 在均相催化的分子水平上深入认识CO2电还原过程, 开发新型均相催化剂以实现多电子的转移及质子耦合电子转移 (PCET) 过程将是未来的发展方向。该方向的另一重要进展在于将促进人类对自身新陈代谢认识, 逐渐开启CO2电还原在人工体液的研究, 使人类实现对自身及生物多样性的认识。未来, 通过均相催化剂的固定化, 实现部分异相催化优势可有效克服分离与回收、低反应速率难题, 并发挥均相催化高效长寿命的优势, 从而实现由分子水平向纳米水平的过渡, 促进反应的高效进行。

电化学或光电化学反应器的设计及建造将为CO2的电催化还原过程的工业化提供重要的工程技术支持, 将更有希望真正的实现人工“碳循环”, 促进人类自身的可持续发展。同时也有助于促使人类更好地认识生命新陈代谢过程, 从而为实现模拟绿色植物的光合作用、动植物的新陈代谢提供前沿基础。在此意义而言, CO2的电催化还原已超越了现有能源、环境、经济的范畴, 将为人类生物、医学等领域打开前进的大门, 创造广阔的发展空间。

摘要：二氧化碳回收及利用是控制全球气候变暖的一项紧迫任务, 具有能源、环境、经济多重现实意义。电催化方法可以在温和条件下使二氧化碳还原为高附加值的燃料、精细化工产品, 具有广阔应用前景。针对二氧化碳电催化关键技术, 从异相和均相催化剂两个方面进行了综述, 并扼要介绍了光电催化的前沿进步。在未来研究中, 从分子水平上认识催化机理, 对现有异相、均相催化剂针对性改性, 是开发新型高效、长寿催化剂的关键, 也是低过电位下选择性生成燃料的核心技术。现有电化学、光电化学反应器的设计与建造为二氧化碳的电催化转化提供重要的工程技术支持, 同时为人工“碳循环”和人类自身的可持续发展进行了前沿探索, 将为人类未来生存提供广阔的发展空间。

木炭还原氧化铜化学方程式 篇5

碳是一种具有还原性的非金属。在一定条件下，用碳可以还原氧化铜生成铜单质。碳还原氧化铜的化学方程式：主反应：C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑(置换反应)。副反应：C+CuO=高温=Cu+CO↑(炭过量);C+4CuO=高温=2Cu2O+CO2↑(氧化铜过量)。

碳还原氧化铜的实验现象：黑色粉末逐渐变成光亮的紫红色，生成气体通入澄清的.石灰水后，使澄清石灰水变浑浊。有时会伴有暗红色固体生成(氧化亚铜)。

在这个反应里，氧化铜失去氧而变成单质铜。这种含氧化合物里的氧被夺去的反应，叫做还原反应。其中碳是还原剂。木炭是使氧化铜还原为铜的物质，它具有还原性。单质碳的还原性可用于冶金工业。

氧化还原原理在电化学中的应用 篇6

关键词：氧化还原；电化学基础；电化学应用

氧化还原原理不仅仅是一个独立的知识点，更是一种工具，是贯穿整个高中化学知识体系的基本原理。体现在众多的知识和题目解释中，例如元素化合物的性质、化学工业流程、化学实验探究、电化学应用等，都会用到氧化还原原理。氧化还原的本质就是电子的转移，原电池的形成原理就是自发的氧化还原反应，在教学过程中，将两者有效的结合起来，能让学生更好的理解电化学，更好的应用电化学的知识和电化学在生活中的应用，并能巩固和提高氧化还原反应知识。

一、问题研究的背景

氧化还原反应在高一（人教版高中必修①）的课本中就已经进行过学习，电化学的基础在高一（人教版高中必修②）的课本开始学习。高一必修②只是简单介绍了电化学，详细的介绍是在高二（人教版高中必修④第四章）学习。很多老师在电化学的教学过程中，简单的提及原电池和电解池与氧化还原反应相关，然后就进行原电池和电解池的教学，导致学生没有从根本上理解电化学的来源和意义。从高一必修②中的Zn-Cu（H2SO4溶液）原电池、锌锰干电池、铅蓄充电电池、燃料电池，到高二选修④中的双液电池、化学电源、电解池，有很多不同的电池需要了解和掌握。如果分散的进行知识学习，让学生机械的记忆各种电池和其中的反应，会给学生造成很大的负担，也不利于学生对知识的掌握。尤其是选修④的教学中和高三的电化学复习过程中，必须要注意知识的联系和衔接②。独立的知识学习不利于学生对知识网络的建立，以致电化学成为学生望而生畏的一个知识点。

无论是原电池还是电解池，均与氧化还原反应直接相关，如果能将氧化反应原理贯穿于电化学的教学过程和复习过程中，就能形成一个完整的知识体系，同时很大程度的减轻学生需要记忆的压力。

二、问题研究的基本理论

1、美国当代著名教育心理学家布鲁纳在他的《教育过程》中明确提出了学科结构论的教学论思想，指出：“不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构”，“学习结构就是学习事物间怎样相互联系的”。按照“认知结构组织起来的材料就是最有希望在记忆中‘自由出入’的材料” ①。

2、新课程的“三维目标”，包括“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”三方面。要求培养学生“获取、收集、处理、运用信息的能力、创新精神和实践能力”。

三、问题研究的方法

1、在几个情况和基础差不多的班级（高三），采用两种不同的教学方法进行电化学复习，观察其效果。其中一种是独立的复习各种原电池、电解池，另一种是利用氧化还原原理复习原电池和电解池。

2、在几个情况和基础差不多的班级（高二），采用两种不同的教学方法进行电化学教学，观察其效果。其中一种是独立的进行各种原电池、电解池教学，另一种是利用氧化还原原理进行原电池和电解池教学。

3、广泛交流，与同事讨论电化学部分教学的方法、心得，分享教学过程中遇见的各种问题。

四、问题研究的案例

1、原电池的原理来源于氧化还原原理。氧化还原反应的本质是有电子的转移，而判断一个反应是否属于氧化还原反应的方法则是看是否有化合价的变化。学生在高一的学习过程中已经掌握了这个知识，同时也明白了氧化还原反应的内涵。较早学习的氧化还原反应是置换反应，如锌与稀硫酸反应：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，其对应的离子方程式为Zn + 2H+ = Zn2+ +H2↑。从氧化还原反应的角度分析：

因为Zn直接与稀硫酸中的H+进行了进行了电子转移，电能没有得到应用。而原电池的思维正是利用了氧化还原过程中发生的电子转移，所以也要求原电池的形成原理就是自发的氧化还原反应。将氧化反应与还原反应分开来，并将电子的“得”和“失”通过导线进行连接，形成了电流，其装置就是原电池。

結合物理的知识，失去电子的是负极，得到电子的是正极。负极反应物为锌，直接参与反应并溶解。正极反应物为H+，正极材料不需要直接反应，只需要是比Zn不活泼的导体就行了。如果正极用铜，就是必修②课本上都介绍到的Zn-Cu（H2SO4溶液）原电池。为此还可以引导学生去分析：如果另一个电极是比Zn更加活泼的金属会有什么结果？其结论只不过是另一个氧化还原反应而已。

为了使氧化反应与还原反应更加彻底的分开，于是就形成了双液电池。我们将以上的反应进行设计成双液电池，如下图：

因此，理论上只要有自发的氧化还原反应，就可以设计成原电池。在这过程中，始终强调的是氧化还原反应原理，即将氧化反应与还原反应分开，分别作为电池的负极和正极，从而实现了化学能向电能的转化。

2、电极的判断与电子的转移、电解质离子的移动。根据原电池的原理与氧化还原原理的关系，原电池和化学电源对应的各种问题就迎刃而解了。首先进行氧化还原分析，再根据氧化还原方法进行电池分析。

例1：已知碱性锌锰电池：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnOOH+Zn（OH）2，根据氧化还原分析：

化学氧化还原 篇7

一、微课程

1. 什么是微课程?

在现行的“微课程”这一词汇出现之前, 学校教育中已经出现一些与微课程相关的名词, 诸如微视频、微学习、微型课程等。这些概念和微课程之间既有联系, 又有区别。为了防止这些微概念之间的混淆, 有必要对它们之间的关系加以梳理。首先是“微学习”, 即微观方面的各种学习模式、概念以及过程, 适用于开展相对较小的学习单元及短期学习活动。其核心理念是:不受时空限制地学习世间万物。其次是“微视频”, 其时长短则30秒, 长则不超过20分钟, 内容广泛, 视频形态多样, 涵盖小电影、纪录短片、DV短片、视频剪辑、广告片段等, 是可通过PC、手机、摄像头、DV、DC、MP4等多种视频终端摄录或播放的视频短片的统称。它既可以用于正式学习, 也可以用于非正式学习。再次是“微型课程”, 微型课程一般是一系列半独立性的专题或单元, 持续时间比较短, 一般只有1~2个学时, 教学的组织规模也比较小。微型课程是完整的教学活动, 适用于正式学习。微课程最早是由美国的戴维·彭罗斯提出。我国最早提出该概念的是广东省的胡铁生。他指出“微课”是指按照新课程标准及教学实践要求, 以教学视频为主要载体, 反映教师在课堂教学过程中针对某个知识点或教学环节而开展教与学活动的各种教学资源的有机组合。微课程是一种学习资源。人们关于微课程的概念至今未形成统一的解释。一种观点认为微课程和其他微概念在现代教育技术的支持下已逐渐融为一体。若微课程用于解释某一具体知识点, 则是以微学习的形式呈现;若用于阐释某专题或单元中多方面知识, 则表现形式为微型课程。微课程能够根据不同的学习情境, 灵活自如地更换呈现方式。由此可见, 微课程是在教学中, 以解释一个具体知识点为目标的一种聚焦化的视频教学模式, 通常视频时间为3~5min, 最长不超过10min。

2. 微课程发展现状。

国外十分重视微课程的研究, 但其核心组成资源不统一, 有的是教案式、视频式, 课程结构较松散, 主要用于学习及培训等方面, 应用领域有待扩充, 课程资源的自我生长、扩充性不够。国内在该领域研究取得一些成果, 尤其在深圳、佛山、天津、上海等地对微课程的研究处于前列。广东省于2010年建成“广东省名师网络课堂”, 在认真分析教师、学生的使用需求、现实可行性以及应用模式后, 确定“名师网络课堂”建设框架为:以重难点、特色理念的微型课为主 (15分钟以内) , 完整课例为辅;以精品专题为主要呈现方式, 推出“信息化教学”、“精彩导入”、“合作学习”、“情境探究教学”等专题, 突出资源的针对性, 辅以学科系列化的资源呈现, 增强资源的应用效益和辐射效应。如今, 微课程不仅是一种学习资源、教学工具, 更是教师专业发展的新途径、新方法。因此, 微课程将会得到更广泛的关注、开发和应用。

3. 微课程的应用前景。

依据微课程的特点、发展趋势以及和学校教育的整合, 总结归纳微课程在以下三方面的应用前景:首先, 微课程是现今学生课外学习的新手段。每个学生都是独立的个体, 只有学生才最了解自己的学习状况, 明确哪些知识是已经掌握的, 哪些知识是一知半解的。他们可以结合自身实际情况, 方便地选择微课程来加强自己的薄弱环节。在以往的教学中, 这种一对一的教学模式只有课后答疑, 效果似乎并不理想, 因此, 微课程作为学生课外学习的新方法, 必将发挥巨大的功效。其次, 微课程是现今教师专业发展的新途径。教师是教学活动的组织者和建设者, 微课程作为一种新颖、有效的教学模式, 教师必然要进行深入地了解、学习和研究, 以便开发和制作与本学科相关的微课程, 不仅促进学生对重难点知识的理解与掌握, 而且可以提高教师的专业素养和业务能力。这是教师专业发展的崭新途径。再者, 教育资源的共享。在实际教学中, 有时一名教师对问题的见解与思考存在局限性, 这时就需要集合不同教师的教育智慧, 形成教育合力。微课程能够便捷地实现信息共享, 从而实现教育资源的共享。微课程作为一种新颖、有效的教学模式, 确实给教师、教育研究者带来了很多灵感与思考, 他们也在各个方面对微课程进行探索和研究。然而, 目前的很多工作仍停留在阐释理念和发展趋势等方面, 在实践层面上, 所取得的成果并不如理论层面的丰富和有效。针对高中化学教学, 微课程毫无疑问是非常适合的。高中化学的知识点繁多而零碎, 有时由于某几个重难点知识没有很好地掌握, 导致学生对整块知识结构不能熟练运用。而这些知识点往往是考试的重点, 一旦无法正确掌握, 学生的成绩必然不会理想, 长此以往, 便会严重打击学生的自信心和对学习的积极性。因此, 应该将微课程和化学学科紧密结合, 既可以检验微课程的实际教学效果、丰富其内涵, 又能够帮助学生掌握化学学科的一些重难点知识, 是理论和实践的巧妙结合, 同时也为高中化学教学模式创新提供思路及借鉴。

二、微课程的制作

戴维·彭罗斯不仅提出关于微课程的概念, 还对建设微课程的五个步骤做了系统的阐述: (1) 罗列课堂教学中试图传递的核心概念, 这些核心概念将构成微课程的核心; (2) 写出一份15~30秒的介绍和总结, 为核心概念提供上下文背景; (3) 用麦克风或网络摄像头录制以上内容, 最终的节目长度为1~3分钟; (4) 设计能够指导学生阅读或探索的课后任务, 帮助学生学习课程材料的内容; (5) 将教学视频与课程任务上传到课程管理系统。李玉平的微课程制作“两步法”: (1) 素材的选择与加工; (2) PPT制作与可视化处理, 在这个过程中, 最关键的是素材的选择与加工。我们根据上述“两步法”的思路, 选择高中化学的“氧化还原反应”知识点为素材进微课程制作。

1. 素材的选择与加工———高中化学中氧化还原反应教学重难点剖析。

“氧化还原反应”是高一学生学习化学的一大重难点。因此, 我们以苏教版高中化学必修1的《氧化还原反应》为切入点, 简要阐述微课程在高中化学重难点知识教学的作用。氧化还原反应是高中化学教学的重点和难点, 内容安排在高一化学《必修1》。熟练掌握氧化还原反应的知识, 不仅能够轻松解决配平和计算的问题, 同时更能够激发学生的化学学习兴趣, 建立信心, 从学习中获得乐趣, 该部分内容在高中化学教学中占有重要的地位。在实际教学过程中, 氧化还原反应中的重难点可归纳为以下几点: (1) 氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物的区分; (2) 根据氧化还原反应方程式, 比较不同物质氧化性和还原性强弱; (3) 氧化还原反应方程式的配平和计算。针对上述三个问题, 不同程度的学生又有不同的实际学情。和以上重难点知识相对应的有三种不同水平层次的学生:第一类学生, 我们也称之为“A类学生”, 他们连最基本的氧化剂和还原剂的概念都不能正确区分, 可见基础很薄弱, 对于新知识的接受存在较大问题。这类学生的抽象逻辑思维很差, 他们对知识的理解必须以生活经验为支撑, 对于抽象概念的理解进程十分缓慢, 因此必须要经常列举生活化的例子加深他们对氧化剂、还原剂以及氧化产物、还原产物的理解。第二类学生, 我们也称之为“B类学生”, 他们能够正确区分氧化剂和还原剂等基本概念, 但是对于不同物质氧化性和还原性的强弱尚不能熟练地掌握。要解决这类学生的困扰, 首先还是要根据反应方程式, 加强训练他们对于氧化剂和氧化产物、还原剂和还原产物的判断, 其次帮助他们归纳总结规律:在氧化还原反应方程式中, 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。第三类学生, 我们也称之为“C类学生”, 他们的问题是最难解决的。由于缺乏对相应的原子轨道和原子核外电子排布等知识的系统认知, 氧化还原反应方程式的配平和计算问题便要通过不断地练习加以巩固。在课堂上, 教师会根据一个具体的方程式, 逐步地配平方程式。为什么这块知识的难度如此之大呢?我们认为可以从学生和教师两个方面进行分析。首先是学生作为学习主体的原因。作为高一学生, 在还没有系统学习原子结构和化学键等理论知识的基础上, 直接给出氧化还原反应的理论并且要求学生攻克上述三个问题是客观存在的难题。对于刚刚进入高中学习的学生来说, 他们的抽象逻辑思维尚未成熟, 很多知识的理解仍需要具体形象的支持, 而氧化还原反应的知识是比较抽象和复杂的。学生尚未建立起从微观角度理解氧化还原反应的本质就是电子转移的观点, 他们更倾向于从宏观的化合价的升降来判断和理解氧化还原反应。无论是客观原因, 还是主观原因, 都决定掌握这部分知识对高一学生是个巨大的挑战。

而从教师方面考虑目前关于这块内容的教学模式, 教师普遍采用的是传统的讲授法。即教师根据已具备的知识经验, 在课堂上采取单向地不断向学生灌输概念, 并加以海量练习而达到巩固的效果。这样的教学模式忽略了具有主观能动性并处于不断发展之中的学生才是学习的主人这一事实, 忽视了学生在学校教育中的主体地位。事实证明, 这样的教学模式下的教学实践效果并不理想。因此, 改变当前的教学模式势在必行。让学生主动起来是目前教学中所要解决的主要课题, 而为学生提供主动学习的资源与手段是教师面临的新问题。努力尝试一些随着时代进步应运而生的教学模式, 微课程就是其中很好的一种手段。针对上文中提出的几个关于不同层次学生所面临的具体问题, 我采取如下的解决问题思路并以此为基础制作微课程, 充分体现因材施教的教学原则。

2. 针对不同类型学生的问题解决思路及视频制作脚本。

针对“A类学生”, 教师要经常列举生活化的例子加深他们对氧化剂、还原剂以及氧化产物、还原产物的理解。制作脚本如下:目标:通过该微课程, 帮助“A类学生”解决不能正确区分氧化剂、还原剂的问题;思路:以生活中的借钱问题类比氧化还原反应的得失电子现象, 帮助学生正确理解氧化还原反应的实质;台词:以Fe和稀盐酸反应为例:

我们以铁和稀盐酸反应为例, 来学习怎么判断一个反应中的氧化剂、还原剂以及氧化产物和还原产物。在这个反应中:Fe失去电子, 变成Fe2+, 化合价升高, 它是还原剂, 对应的Fe Cl2是氧化产物;H+得到电子, 变成H2, 化合价降低, 它是氧化剂, 对应的H2是还原产物。我们可以类比生活中的借钱问题, 反应中的电子就是钱。Fe把2块钱, 也就是2个电子借给H+, Fe作为提供钱, 也就是提供电子的那一方, 它是还原剂, 它被H+氧化, 所以对应的Fe Cl2是氧化产物;H+得到Fe借给它的钱, 也就是Fe提供的电子, H+作为接受钱, 也就是接受电子的那一方, 它是氧化剂, 它被Fe还原, 所以对应的H2是还原产物。这就是怎么判断一个氧化还原反应中, 氧化剂、还原剂和氧化产物、还原产物的方法。针对“B类学生”, 教师要依据反应方程式准确阐释判断方法和规律, 辅以一定量的练习加以巩固。制作脚本如下:目标:通过这个微课程, 帮助“B类学生”解决不能正确比较不同物质氧化性强弱的问题;思路:以一个具体的反应为例, 帮助学生理解如何根据反应方程式比较不同物质的氧化性强弱;台词:以Cl2和KI反应为例:。我们以Cl2和KI反应为例, 来学习怎么判断不同物质之间的氧化性强弱。在这个反应中, 首先我们要判断出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物。在氧化还原反应中, 氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物;在这个反应中, 氧化性:Cl2>I2;还原性:I->Cl-。这是最基本的判断方法, 等以后学习了元素周期律的知识, 便可以利用其他规律加以辅助判断, 提高准确性。针对“C类学生”, 教师要依据一个具体的方程式, 逐步配平方程式, 其中要抓住一个关键、掌握三个原则。一个关键是指:准确判断并标出变价元素的化合价, 求得化合价升降数及其最小公倍数, 进而求得氧化剂、还原剂的基准计量数。三个原则是指: (1) 质量守恒; (2) 得失电子守恒; (3) 电荷守恒。帮助学生解决配平问题以后, 还要让他们明确实际参与反应的氧化剂和还原剂的物质的量之比并不一定就是化学方程式的计量数之比, 例如在“实验室制取氯气”的反应中, 参与反应的盐酸是4mol, 但是其中只有2mol是还原剂, 余下2mol参加了反应, 但并没有参与氧化还原反应过程, 这是导致学生计算错误的根本原因。制作脚本如下:目标:通过这个微课程, 帮助“C类学生”解决氧化还原反应方程式的配平和计算问题;思路:以一个具体的反应方程式为例, 帮助学生掌握方程式的配平和计算;台词:以“实验室制取氯气”的反应为例:

我们以实验室制取氯气的反应, 来学习怎么配平氧化还原反应方程式以及计算问题。在这个反应中:锰 (Mn) 元素的化合价从+4价降低到+2价, 降低了2价, 生成物中的Mn Cl2中只有1个Mn原子, 共降低了2价;氯 (Cl) 元素的化合价从-1价升高到0价, 升高了1价, 生成物中的Cl2由2个Cl原子构成, 共升高了2价。2和2的最小公倍数是2, 所以这个反应中氧化剂、还原剂的基准计量数是2, 也就是说, 该反应共转移了2个电子, 这是得失电子守恒。Mn O2、Mn Cl2、Cl2的化学计量数均为1, 根据质量守恒, 生成物中有4个Cl原子, 那么反应物中也应该有4个Cl原子, 全部来自于HCl, HCl的化学计量数为4, 又因为H原子守恒, H2O的化学计量数为2。至此, 该方程式已经配平:

特别要注意的是:实际参与反应的氧化剂和还原剂的物质的量之比并不一定就是化学方程式的计量数之比, 在这个反应中, 参与反应的盐酸是4mol, 但是其中只有2mol是还原剂, 余下2mol盐酸虽参加了反应, 但并没有参与氧化还原反应过程, 只有那2mol当作还原剂的HCl才参与了氧化还原反应过程, 因此, 氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2, 而不是表面上的1∶4, 这是导致学生计算错误的根本原因。这是个很常见的错误, 学生要十分重视它。由此, 我们完成了微课程的脚本制作。

3. 脚本的可视化处理媒介。

根据上述典型问题分析及脚本制作, 可视化处理是制作微课程至关重要的步骤。可视化处理主要是视频制作, 可以是摄像录制, 也可以是录屏软件录制。

Showme是一款快捷有效的录屏软件, 又被大家称为网络平台上的交互式白板, 画面简洁, 非常适合手写, 操作简单, 可全程记录边画边说的过程, 是一款快捷有效的录屏软件。过程中不会出现和教学内容无关的事物, 可有效集中学生的注意力。制作完成的课程可上传至网站实现全网共享。之外, 目前比较常见的可视化处理方式还有以下几种: (1) 录制屏幕工具Camtasia Studio。这款软件的优点在于视频录制后可自动生成视频格式, 还可以进行屏幕局部录制。完成后的视频可进行后期字幕添加, 可自动追踪鼠标进行局部放大。难得的是, 这款软件很小, 安装方便。 (2) PPT自带功能。用PPT自带录制功能也可以录制微课程视频。由于画面是未经转换的, 画面清晰度非常高, 可以使用演示时的荧光笔进行书写。根据PPT的功能, 不仅可以添加图片资源, 还可以制作简单的动画效果。 (3) 手写板。手写板最大的好处是可以使用各种笔画并记录大量的书写过程。 (4) 智能手机。具有摄像头的智能手机是录制微课程非常方便的工具, 不仅可以录制书写的内容, 还可以拍摄各种实验、实践操作以及运动技能等。在用手机录制的过程中需要注意的是手机的固定以及正确选择录制方向, 以确保视频的画面质量以及可视化效果。上述几种方法各有特色, 可根据微课程的不同要求以及实际条件来选择。我们采用ipad中的showme软件来制作并上传至网络平台共享。

三、微课程应用的教学效果及其存在的问题

通过微课程学习, 学生有更多的机会根据自身存在的问题在课余时间有针对性地进行自学, 不仅加强学习效果, 更可有效提高学生的自主学习能力, 并在过程中逐渐形成主动学习的意识与习惯, 对学生完善知识结构和培养其终身学习能力具有积极作用。

综上所述, 微课程理念的诞生、发展及越来越广泛的应用是当前中学化学教学手段的重要变革。为了微课程的实效性, 教师可以对学生实际学情分类疏理, 在对教材深入研究的基础上有的放矢地制作微课程。因此, 教师在讲解同一个知识点时可以根据不同学情制作多个微课程, 不仅可以有效实现因材施教, 更可以进一步提高教师的专业素养、业务能力, 为高中化学教学模式创新提供思路。而学生可以根据自己的实际情况, 针对薄弱环节进行针对性强化。不仅能更有效地巩固知识, 更是为其自主学习意识的逐步树立与能力提高提供载体, 为学生终生学习能力的培养打下良好的基础。

参考文献

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[3]梁乐明, 曹俏俏, 张宝辉.微课程设计模式研究[J].开放教育研究, 2013, (19) :65-73.

[4]梁乐明, 梁锦明.从资源建设到应用:微课程的现状与趋势[J].中国电化教育, 2013, (8) :71-76.

[5]张静然.信息技术课程新理论综述[J].中国信息技术教育, 2012, (Z1) :19-21.

[6]Morris L V.Innov.High.Educ.2009, 34 (2) :67-68.

[7]Mc Grew L A.J.Chem.Educ.1993, 70 (7) :543-544.

化学氧化还原 篇8

关键词：重金属,污染场地,化学氧化还原,适用性

污染场地中重金属的迁移性、生物可给性及相应生物毒性不仅与重金属的总量有关, 而且更大程度上取决于它们的化学形态。重金属污染场地氧化还原修复技术是指通过改变土壤中重金属离子的价态, 钝化重金属活性, 从而降低重金属的毒性、生物有效性和迁移性[1,2]。

1典型重金属元素的形态转化及毒性分析

针对《重金属污染综合防治十二五规划》中的第一类规划对象, 包括铬、铅、汞、镉、铬和类金属砷等生物强且污染严重的重金属元素进行分析。

铬:土壤中Cr6+的毒性大于Cr3+[3], 在大量有机质的存在条件下Cr6+能自发的还原为Cr3+, 低p H有利于还原反应的进行。一般来说, Cr3+在土壤中是最稳定的形态, 即使在通气状况下也不易氧化为Cr6+, 但当土壤中有氧化锰存在时, Cr3+可氧化成Cr6+, 从而加重了其对生物的毒性。因此, 土壤中的重金属铬的污染常通过在强还原条件下, 通过还原反应将Cr6+还原为Cr3+, 同时形成Cr (OH) 3沉淀, 最终降低了土壤中铬的生物学毒性和迁移性。

铅:土壤中重金属污染物铅常以Pb2+和Pb4+的形式存在, 其中Pb2+的毒性大于Pb4+。因此, 土壤中的重金属铅的污染常通过在还原条件, 将Pb2+和Pb4+还原为单质Pb[4], 从而沉降被土壤吸附, 从而达到降低Pb污染的目的。

汞:汞在土壤中不以单一的状态存在, 它会与土壤中的不同成分形成不同的化学形态, 从而影响了汞的化学活性、迁移性以及生物毒性等特性[5]。土壤中的汞可分为金属汞、无机汞和有机汞。在微生物的作用下, 金属汞和二价离子汞等无机汞会转化成甲基汞 (CH3Hg+) 和二甲基汞 ( (CH3) 2Hg) , 甲基汞和二甲基汞具有较强的生物毒性。因此, 土壤中的重金属汞的污染常通过在稳定还原剂作用下, 改变土壤汞存在形式, 将活性态Hg转化为稳定态并将其清除, 从而达到降低Hg污染的目的。

镉:金属镉毒性很小, 但镉的化合物毒性较大, 尤其是镉的氧化物。土壤中重金属镉的污染常以Cd2+和Cd+的形态存在。土壤中的重金属镉的污染通常在氧化条件下通过氧化反应将Cd+氧化为Cd2+, 同时调节土壤的p H环境下, 使镉的氧化物水解生成为Cd (OH) 2沉淀, 从而沉降被土壤吸附, 以达到降低Cd污染的目的。

砷:土壤中As3+的毒性、溶解度和活性都大于As5+[6]。还原条件会导致As3+的大量增加, 锰氧化物可将As3+氧化成As5+从而降低砷的毒性。一般强还原条件下, 砷以单质态和As H3存在, 中等还原条件以As3+为主, 氧化条件下As5+则是稳定的形态。因此, 土壤中的重金属砷的污染常通过在强氧化条件下, 通过氧化反应将As3+氧化为As5+, 从而降低了土壤中砷的生物学毒性和迁移性。

2化学氧化还原技术原理

化学氧化还原技术修复重金属污染土壤是通过向土壤添加氧化还原剂, 改变重金属在土壤的存在形态, 钝化重金属活性, 降低其生物有效性, 使土壤中的污染物转化为无毒或毒性较小的物质。

2.1化学氧化技术

目前化学氧化技术常用的氧化剂有Fenton试剂、过氧化氢、 臭氧及高锰酸盐等[7]。

2.1.1 Fenton试剂

Fenton法是一种深度氧化技术, 即利用Fe2+和H2O2之间的链反应催化生成·OH自由基, 而·OH自由基具有强氧化性, Fenton试剂可将部分低价态的重金属离子氧化至高价态、低生物毒性形态, 以达到去除污染物的目的。

2.1.2臭氧和过氧化物

臭氧和过氧化物和Fenton试剂一样, 由于形成自由基, 臭氧反应在酸性环境中最有效。

2.1.2高锰酸盐

高锰酸盐是一种强氧化剂, 常用的有Na Mn O4和KMn O4。高锰酸盐在较宽的p H范围内可以使用, 在地下起反应的时间较长, 因而能够有效地渗入土壤并接触到吸附的污染物。

2.2化学还原技术

目前常用的化学还原剂有铁系物和硫系物[8]。

2.2.1铁系物

铁是活泼金属, 在弱酸性的环境中可将土壤中高价态重金属离子。同时铁屑是具有很大比表面积和很强表面活性的物质, 能够吸附多种与铁发生置换作用而沉积的重金属离子促进重金属离子的去除。

2.2.2硫系物

土壤中的硫以无机和有机两种形态存在, 在氧化条件下以硫酸盐的形式存在, 在还原条件下以硫化氢或金属硫化物形式存在。

H2S本身具有较强的还原性, 且在改变土壤氧化还原条件, 将部分高价态重金属离子转化为低价态、低毒性形态, 同时还可以将土壤中部分重金属离子形成硫化物沉淀。

3化学氧化还原技术适用条件分析

3.1化学氧化技术

化学氧化技术适用于高价态情况下离子生物毒性较小的重金属, 如砷。

砷:在零价铁和曝气的条件下, 土壤中的三价砷被氧化成了五价砷, 五价砷与三价铁可以形成砷酸盐Fe As O4·H2O, 或稳定性很高的次级难氧化态矿物如Fe As O4·2H2O、Fe As O4·2H2O (臭葱石) , 固定化效果稳定性很高。

镉:纳米型铁氧化物可使土壤中Cd由非残留态向残留态转化, 同时对Cd具有很好的吸附效果, 可起到降低土壤中镉的生物有效性。

3.2化学还原技术

化学还原技术适用于低价态情况下离子生物毒性较小的重金属, 如汞、铬和铅。

3.2.1 Fe系材料还原法

铬:Fe0和Fe2+可将Cr6+还原为Cr3+, Cr3+的生物学毒性低于Cr6+, 同时最终可形成Cr (OH) 3沉淀, 同时降低了铬的生物学毒性和迁移性。

铅:利用纳米级Fe0将Pb2+还原为Pb, Pb再被Fe (OH) 2+, Fe (OH) 2+等络离子吸附, 降低了铅的生物学毒性和迁移性。

3.2.2硫系物还原法

铬:硫化氢存在的土壤一般呈现弱酸性的还原状态, 在这种条件, 可以将土壤中Cr6+还原为Cr3+。

汞:土壤中的Hg S是极难溶的, 可看作是汞在土壤中的最终产物, 当土壤环境为还原条件时, Hg S易于生成。在这种条件下, 利用硫单质或Na2S可使土壤中的汞生成稳定的Hg S。

4结语

4.1污染场地中重金属的毒性很大程度取决于其化学形态。

4.2不同重金属具有较强毒性的化学形态不同, 其中Cr6+的毒性大于Cr3+;Pb2+的毒性大于Pb4+;甲基汞 (CH3Hg+) 和二甲基汞 ( (CH3) 2Hg) 等活性态Hg的毒性大于稳定态汞;镉的化合物的毒性大于金属镉;As3+的毒性大于As5+。

4.3化学氧化还原技术修复重金属污染土壤是通过向土壤添加氧化还原剂, 改变重金属在土壤的存在形态, 钝化重金属活性, 降低其生物有效性。常见的氧化剂有Fenton试剂、过氧化氢、臭氧及高锰酸盐等;常用的还原剂有铁系物和硫系物。

4.4化学氧化技术适用于高价态情况下离子生物毒性较小的重金属, 如砷、镉。

4.5化学还原技术适用于低价态情况下离子生物毒性较小的重金属, 如汞、铬和铅。

参考文献

[1]吴又先.土壤氧化还原过程及其生态效益.土壤学进展, 1995, 23 (4) :32-37.

[2]Guo G.L.Zhou Q.X., Ma L.Q.Availability and assessment of fixing additives for the in situ remediation of heavy metal contaminated soils:A review.Environmental Monitoring and Assessment, 2006, 116 (1/3) :513-528.

[3]梁爱琴, 匡少平, 白卯娟.铬渣治理与综合利用.中国资源综合利用, 2003 (1) :15-17.

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[5]唐永鉴等.环境学导论[M].北京:高等教育出版社, 1987.135-140.

[6]Goh H, Lim T.Arsenic fractionation in a fine soil fraction and influence of various anions on itsmobility in the subsurface environment[J].Applied Geochemistry, 2005, 20 (2) :229-239.

[7]隋红, 李洪, 李鑫钢, 等.有机污染土壤和地下水修复[M].北京:科学出版社, 2013:293-298.

氧化还原反应专题突破 篇9

一、领悟考纲,明晰要求

2015年高考考纲对“氧化还原反应”这一专题各考点明确提出:了解氧化还原反应的本质是电子的转移;掌握氧化还原反应的有关知识(氧化反应与还原反应、反应方程式的配平、 物质的氧化性与还原性的强弱比较等)。

近几年高考对氧化还原反应的考查主要包括以下几点:以生产、生活、社会中的问题为载体,考查氧化还原反应的基本概念及实质;比较物质氧化性、还原性的强弱及相关规律的应用; 氧化还原反应的配平及计算等。

二、抓住本质,理解概念

例1.亚氨基锂(Li２NH)是一种储氢容量高、安全性好的固体储氢材料,其储氢原理可表示为:Li２NH+H２LiNH２+LiH。下列有关说法正确的是( )

A.Li２NH中N的化合价是-1

B.该反应中H２既是氧化剂又是还原剂

C.LiNH2是还原产物 , LiH是氧化产物

D.若有1 mol H２参加反应,则反应中有2mol电子转移

解析:本题主要考查氧化还原反应的相关概念和有关计算,侧重考查学生的理解和应用能力。A项,因为在Li２NH和LiNH２中N元素的非金属性最强,故N元素显-3价;B项, Li２NH和LiNH２中Li和H元素化合价均为+1价,H２中H元素化合价为0价,LiH中H元素化合价为-1价,故题给反应中只有H元素的化合价发生变化,H２既是氧化剂又是还原剂;C项,LiNH２是氧化产物,LiH是还原产物;D项,1 mol H２发生歧化反应,转移1mol电子。

答案:B

【相关知识链接】

氧化还原反应的五组基本概念之间是相互对立又相互依存的,其关系见如下框图:

注意:氧化剂、还原剂是指反应物(物质或离子),不是元素;氧化产物、还原产物是指生成物(物质或离子),不是元素;被氧化、被还原一般是指反应物中的变价元素,不是反应物;氧化反应、还原反应是指反应物的变化。

例2.饮用水中的NO３－对人类健康会产生危害,为了降低饮用水中NO３－的浓度,某饮用水研究人员提出,在碱性条件下用铝粉将NO３－还原为N２,其化学反应方程式为:10Al+ 6NaNO３+ 4NaOH+18H２O= 10Na[Al(OH)４]+3N２↑。请回答下列问题:

(1)该反应中,______是氧化剂,是氧化产物______,被还原______。

(2)标出该反应中的电子转移的方向和数目:______。

(3)上述反应中,若有8g NaOH参加反应,则转移的电子总数为______个。

解析:本题综合考查氧化还原反应的相关概念、电子转移的表示方法和有关计算。分析题给反应知,发生变价的元素为Al和N,Al元素的化合价升高, 故Al为还原剂, Na[Al(OH)４]为氧化产物;NaNO３是氧化剂, N２是氧化产物。当消耗4 mol NaOH时应转移30mol电子,故有0.2mol NaOH参加反应, 转移的电子物质的量为1.5mol。

【相关知识链接】

氧化还原反应的本质是有电子的转移,表示电子转移的方法有两种,即双线桥法和单线桥法。

1.双线桥法

双线桥法是在反应物和生成物之间表示电子转移结果,该法侧重于表示同一元素的原子(或离子)间的电子转移。使用时应注意以下几点:(1)双线桥的箭头必须由反应物指向生成物中的同一种变价元素,箭头不表示方向,只表示变化。(2)双线桥上要标明“得”或“失”电子字样(电子对的偏移也按得失电子处理)。(3)双线桥上要标明得失电子总数,且得到和失去的电子总数必须相等。

2.单线桥法

单线桥法在反应物中的还原剂和氧化剂之间表示电子转移的方向和数目,具体讲是箭头从失电子元素指向得电子元素。使用时应注意以下几点:(1)单线桥是从反应物中失电子元素指向反应物中得电子元素。(2)单线桥上不要标明“得”或“失”电子字样,因为箭头指向包含了电子的得失。(3)单线桥上只标明反应中转移的电子总数。

三、把握性质,判断强弱

例3.化学与生活密切相关。下列物质应用中利用了该物质的还原性的是( )

A.漂白粉漂白织物

B.铁粉作食品袋的脱氧剂

C.明矾净化水

D.双氧水杀菌消毒

解析:本题主要以氧化还原反应在生活中的应用为背景,考查氧化性和还原性的判断。 漂白粉中的有效成分Ca(ClO)２具有强氧化性,可将织物中的色素氧化为无色物质,A项是利用漂白粉的氧化性;铁粉在食品袋中可与空气中的氧气反应,防止袋中的食品氧化变质, B项是利用铁粉的还原性;明矾净水是利用Al３＋水解生成Al(OH)３胶体吸附水中悬浮的杂质,不属于氧化还原反应;双氧水杀菌消毒是利用双氧水的强氧化性。

答案:B

例4.已知:1PbO２固体与浓盐酸反应,产生黄绿色气体;2向KSCN和FeBr２的混合溶液中通入少量实验1产生的气体(仅与一种离子反应),溶液变红色;3取少量FeCl３溶液滴在淀粉-KI试纸上,试纸变蓝。下列判断错误的是( )

A.上述实验中有三个氧化还原反应

B.通过上述实验可得到结论,氧化性:PbO２>Cl２>Br２>Fe３＋>I２

C.实验2能证明Fe２＋有还原性,不能证明Fe２＋有氧化性

D.实验1生成的气体能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝

解析:本题主要考查氧化性和还原性的判断,氧化性强弱的比较及其应用。A项,题给三个实验中均发生了氧化还原反应;B项,通过题中三个实验不能证明Cl２的氧化性比Br２强;C项,实验2只能证明Fe２＋有还原性;D项,实验1生成的气体是Cl２,Cl２能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝。

答案:B

例5.根据下图,可判断下列离子方程式中错误的是( )

解析:本题以盐桥原电池装置图为基点,考查通过原电池的两极极性的正负来判断金属单质还原性的相对强弱,同时也考查了学生审图、 分析处理问题的能力。根据原电池的工作原理知,金属活动性:负极>正极。则三种金属的活动性顺序为Cd>Co>Ag,则符合此关系的置换反应成立。

答案:A

【相关知识链接】

1.物质的氧化性和还原性

物质的氧化性是指物质得到电子的性质或能力,氧化剂具有氧化性,氧化剂越易得电子, 其氧化性越强;物质的还原性是指物质失电子的性质或能力,还原剂具有还原性,还原剂越易失电子,其还原性越强。物质的氧化性(或还原性)的强弱取决于物质得(或失)电子的难易程度,与得(或失)电子的多少无关。物质具有氧化性还是还原性,可从元素在物质中的价态考虑:某元素的化合价处于最高价时,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。简记为“同种元素多种价,高价氧化低价还,中间价态两俱全”。

2.物质的氧化性和还原性强弱的判断方法

(1)根据活动性顺序表判断。

1根据金属活动性顺序表判断:

金属活动性顺序表中,排在前面的金属元素其原子的还原性强,排在后面的金属元素其阳离子的氧化性强。

常见金属单质还原性强弱 : Na>Mg>Al >Zn>Fe>H>Cu>Ag 。

常见金属阳离子氧化性强弱 :

2根据非金属活动性顺序表判断:

常见非金属单质氧化性强弱:F２>Cl２> Br２>I２>S。

常见非金属阴离子还原性强弱:S２－>I－>Br－>Cl－>O２－。

3根据两表联合产生常用的重要顺序判断:

(2)根据元素在周期表中的位置判断。

1同一主族金属元素原子从上到下原子半径逐渐增大,失电子能力逐渐增强,单质还原性逐渐增强,其阳离子氧化性逐渐减弱;同一主族非金属元素原子从上到下原子半径逐渐增大, 得电子能力逐渐减弱,单质氧化性逐渐减弱,其阴离子还原性逐渐增强。

2同一周期金属元素原子从左到右原子半径逐渐减小,失电子能力逐渐减弱,单质还原性逐渐减弱;同一周期非金属元素原子从左到右原子半径逐渐减小,得电子能力逐渐增强,单质氧化性逐渐增强。

(3)根据氧化还原反应的方向判断。

对于氧化还原反应一般有如下对应关系: 强氧化剂+ 强还原剂→还原产物+ 氧化产物。要依据氧化还原反应方程式比较物质氧化性、还原性强弱,应首先找出反应物中的氧化剂、还原剂以及生成物中的还原产物、氧化产物。然后根据“氧化剂的氧化性>氧化产物的氧化性,还原剂的还原性>还原产物的还原性” 进行判断。

(4)根据氧化、还原的程度大小进行判断。

1当不同的还原剂与同一氧化剂反应时, 可根据氧化剂被还原的不同程度来判断还原剂还原性的强弱。一般规律是氧化剂被还原的程度越大,还原剂的还原性越强。 例如,HI和HBr两种还原剂分别与同一种氧化剂浓硫酸反应,HI可把浓硫酸还原为H２S,而HBr只能把浓硫酸还原为SO２,说明HI的还原性比HBr强。

2当不同的氧化剂与同一还原剂反应时, 还原剂被氧化的程度越大,氧化剂的氧化性就越强。例如,氯气和硫两种氧化剂分别与同一还原剂铁反应,氯气可把铁氧化为FeCl３,而硫只能把铁氧化为FeS,说明氯气的氧化性比硫强。

(5)根据反应条件判断。

1浓度的影响:一般来说,氧化剂的氧化性和还原剂的还原性随着浓度增大而增强。如氧化性:浓硫酸>稀硫酸,浓硝酸>稀硝酸;还原性:浓盐酸>稀盐酸。铜与浓硫酸加热可反应, 而铜与稀硫酸加热不反应;二氧化锰与浓盐酸加热可反应,而二氧化锰与稀盐酸加热不反应。

2温度的影响:不同的还原剂(或氧化剂) 与同一氧化剂(或还原剂)反应时,若还原产物(或氧化产物)的价态相同,则反应条件越易,还原剂(或氧化剂)的还原性(或氧化性)越强。例如,钠在常温下能与水剧烈反应,而铁需在高温下才能与水蒸气反应,则还原性:钠> 铁。又如,常温下KMnO４可将浓盐酸氧化为Cl２,而MnO２则需加热才能将浓盐酸氧化为Cl２,故氧化性:KMnO４>MnO２。

3溶液酸碱性的影响:一般来说,随着溶液酸性的增强,氧化剂的氧化性不断增强。例如, MnO４－、Cr２O７２－或ClO－溶液的氧化性随着溶液酸性的增强而增强。又如,NO３－在中性或碱性条件下基本上无氧化性,而在酸性条件下却具有强氧化性,可将S２－、SO３２－、I－、Fe２＋等氧化。

(6)根据原电池、电解池的电极反应进行判断。

1两种不同的金属构成原电池的两极:一般是活泼金属作负极,较不活泼的金属作正极, 则还原性:负极金属>正极金属。

2在电解池中,用惰性电极电解混合溶液时,一般在阴极先放电的阳离子的氧化性较强, 如Ag＋>Fe３＋>Cu２＋>H＋>Fe２＋>Zn２＋> Al３＋>Mg２＋>Na＋;在阳极先放电的阴离子还原性较强,如S２－>I－>Br－>Cl－>OH－。

四、把握规律,灵活应用

例6.实验室制取氯气也可使用氯酸钾与浓盐酸反应,其反应原理如下:KClO３+ 6HCl(浓)=KCl+3H２O+3Cl２↑。试根据该反应方程式回答下列问题:

(1)氧化剂是______,氧化产物是______。

(2)该反应中盐酸表现出来的性质是______(填“氧化性”“还原性”或“酸性”)。

(3) 氧化产物与还原产物的质量比为______。

(4)若反应生成21.3g Cl２,则反应过程中转移______mol电子。

解析:该反应要利用邻位转化规则分析, KClO３中+5价的氯元素降低到Cl２中的0价氯元素,不是降低到KCl中的-1价氯元素,这一点是学生极易弄错的。该反应中KClO３是氧化剂,盐酸是还原剂,Cl２既是氧化产物又是还原产物,其中氧化产物来自还原剂HCl,还原产物来自氧化剂KClO３,故氧化产物与还原产物的质量比为5∶1。由于盐酸在反应中部分变价,故盐酸表现出还原性和酸性。根据反应中氯元素价态变化知,该反应中生成3mol Cl２应转移5 mol电子,故生成21.3g Cl２,转移电子的物质的量为0.5mol。

答案:(1)KClO３Cl２(2)还原性、酸性(3)5∶1 (4)0.5

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1. 左强右弱规律

在一个自发进行的氧化还原反应中,氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。自发进行的氧化还原反应总是按强的氧化性物质与强的还原性物质反应,生成弱的还原性物质和弱的氧化性物质的方向发生,即为

”。只有能自发进行的氧化还原反应,才满足“左强右弱”规律,也只有满足此规律的反应才能自动发生。电解反应是非自发进行的氧化还原反应,不能套用此规律。

应用:可用于比较物质间氧化性或还原性的强弱。适当条件下,可用氧化性较强的物质制备氧化性较弱的物质,或用还原性较强的物质制备还原性较弱的物质。

2.价态转化规律

(1)邻位转化规律。

在氧化还原反应中,元素相邻价态间的转化最易。

1元素处于最低(或最高)价态,遇一般氧化剂(或还原剂)时转变至相邻价态。 例如, Fe３＋与Cu反应时,Fe３＋只能被还原为Fe２＋,不能被还原为Fe。又如,浓硫酸在加热条件下与铜反应时,浓硫酸只能被还原为SO２,不能被还原为S。

2元素处于中间价态时可发生歧化反应, 且一般发生邻位转化。 例如,单质硫与热浓NaOH溶液反应时生成Na２S和Na２SO３。

(2)跳位转化规律。

1元素处于较低(或较高)价态时,遇强氧化剂(或强还原剂)发生跳位转化。例如,单质硫与浓硝酸加热时反应,可生成硫酸,而不是SO２。

2当增强反应条件(升温、增大反应物浓度、增大酸性等)时,可发生跳位转化。例如,氯气与热浓NaOH溶液反应可生成NaClO３,而不是NaClO。

(3)互不换位转化规律。

1同种元素的相邻价态间不相互转化。例如,CO与CO２、Fe３＋与Fe２＋、SO２与H２SO４等均不能发生反应。

2不同价态的同种元素间发生反应时,生成中间价态的物质,且只靠拢不交叉。就是说, 可能氧化产物和还原产物为同一中间价态,也可能不为同一价态,但产物中该元素的化合价一定介于氧化剂和还原剂中该元素的化合价之间(即归中反应)。 例如,反应KClO３+ 6HCl(浓)=KCl+3H２O+3Cl２↑,KClO３中+5价氯元素降到0价,HCl中-1价氯元素升到0价,而不是KClO３中+5价氯元素降到-1价。

应用:可用于判断氧化还原反应能否发生、 物质的变化及预测反应的产物。

3.强先弱后规律

一种还原剂同时与多种氧化剂相遇时,氧化性强的物质先被还原,并按“强先弱后”的顺序依次发生反应。 例如,将足量铁粉加入含H＋、Cu２＋、Fe３＋的溶液中,氧化性较强的Fe３＋先反应。一种氧化剂同时与多种还原剂相遇时,还原性强的物质先被氧化,并按“强先弱后” 的顺序依次发生反应。例如,向含Fe２＋、I－、 Br－的溶液中通入氯气,还原性较强的I－先反应。

应用:可用于判断反应的先后顺序及物质的稳定性强弱。

4.电子守恒规律

氧化还原反应的本质是电子转移,电子守恒规律就是电子得失总数相等。氧化还原反应的表观特征是元素化合价升降总数相等,这是任何氧化还原反应都应遵循的规律。

应用:可用于氧化还原反应有关计算及氧化还原反应方程式的配平。

五、电子守恒,配平计算

例7.锌与很稀的硝酸反应生成Zn(NO３)２、NH４NO３和水。 当生成1mol Zn(NO３)２时,被还原的硝酸的物质的量为( )

A.2mol B.1mol

C.0.5molD.0.25mol

解析:本题主要考查氧化还原反应方程式的配平和电子守恒的计算。

解法1(化学方程式法):根据题给信息,运用化合价升降法将化学方程式配平,可得该反应的化学方程式为4Zn + 10HNO３=-4Zn(NO３)２+NH４NO３+3H２O。稀硝酸的还原产物为NH４NO３,当生成4mol Zn(NO３)２时, 被还原的硝酸为1mol,故生成1mol Zn(NO３)２时,被还原的硝酸为0.25mol。

答案:D

例8.羟胺(NH２OH)是一种重要的还原剂,能将某些氧化剂还原。 现向20.00mL 0.045mol/L羟氨溶液中加入0.020mol/L酸性K２Cr２O７溶液,充分反应,消耗15.00mL酸性K２Cr２O７溶液(K２Cr２O７被还原为Cr３＋)。则上述反应中羟胺的氧化产物是( )

A.N２B.N２O C.NO D.NO２

解析:本题主要考查电子守恒的应用。设羟胺的氧化产物中N的化合价为+x,1 mol NH２OH转化为+ x价的N原子失去(x+1)mol电子,1mol K２Cr２O７转化为Cr３＋得到6mol电子,根据得失电子守恒有如下关系式:

答案:B

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1.氧化还原反应化学方程式的配平

(1)配平原则:质量守恒(反应前后各元素的原子个数相等)、电子得失守恒(化合价升降变化数值相等)、电荷守恒(离子反应)。

(2)配平步骤:标好价、列变化、求总数、配系数、后检查。

(3)配平技巧:正向配平法、逆向配平法、整体配平法、平均化合价等。

(4)氧化还原反应离子方程式的配平:1用电子守恒配平变价元素原子系数。2用电荷守恒配平离子系数。3用原子守恒配平未变价元素原子系数。4用O原子守恒检查是否配平。

2.电子守恒计算

氧化还原反应计算的核心是电子守恒,在氧化还原反应中,元素得到电子的总数=元素失去电子的总数;或元素化合价升高的总数= 元素化合价降低的总数。

解题步骤:(1)找出氧化剂、还原剂及相应的还原产物和氧化产物。(2)找准一个原子或离子的得失电子数(注意化学式中粒子的个数)。(3)根据题中物质的物质的量和电子守恒列出等式:n (氧化剂)× N (变价原子) ×Δx(化合价变化)=n(还原剂)×N(变价原子) ×Δx(化合价变化)。

注意:计算氧化剂或还原剂的物质的量时, 要特别注意反应物是部分还是全部参加氧化还原反应。

六、融会贯通,综合运用

例9.(2015·安徽卷)下列有关NaClO和NaCl混合溶液的叙述正确的是( )

A.该溶液中,H＋、NH４＋、SO４２－、Br－可以大量共存

B.该溶液中,Ag＋、K＋、NO３－、CH３CHO可以大量共存

C.向该溶液中滴入少量FeSO４溶液,反应的离子方程式为2Fe２＋+ClO－+2H＋Cl－+2Fe３＋+H２O

D.向该溶液中加入浓盐酸,每产生1 mol Cl２,转移电子约为6.02×10２３个

解析:本题综合考查氧化还原反应在离子共存、离子方程式正误判断及物质的量计算等方面的应用。A项,酸性条件下,ClO－可将Br－氧化而不能共存;B项,Ag＋与Cl－因生成沉淀而不能共存,ClO－可将CH３CHO氧化而不能共存;C项,NaClO为强碱弱酸盐,其水溶液显碱性;D项,向该溶液中加入浓盐酸后, HClO与浓盐酸可发生归中反应生成Cl２,产生1mol Cl２,转移1mol电子。

答案:D

例10.利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。

(1)利用下图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B电极发生______(填“氧化”或“还原”)反应,B极区电解液为______(填化学式)溶液,阳极电极反应式为,该电解池总反应式为______,其中氧化产物为。

(2)利用钴渣[含Co(OH)３、Fe(OH)３等] 制备钴氧化物的工艺流程如下:

Co(OH)３溶解还原反应的离子方程式为______。 铁渣中铁元素的化合价为。在空气中煅烧CoC２O４生成钴氧化______物和CO２,测得充分煅烧后固体质量为2.41g, CO２体积为1.344L(标准状况),则钴氧化物的化学式为______。

解析:(1)分析装置图知,产生H２的一极(B电极)为阴极,B极区电解液为LiOH溶液, 其电极反应式为2H２O +2e－=H２↑ + 2OH－,则A电极为阳极,A极区电解液为LiCl溶液,其电极反应式为2Cl－-2e－=Cl２↑。该电解池总反应式为,其中氧化产物为Cl２。(2)在酸性条件下,Co(OH)３首先与H＋反应生成Co３＋,Co３＋具有氧化性,把SO３２－氧化为SO４２－,配平可得离子方程式:2Co(OH)３+ 4H＋+SO３２－=2Co２＋+SO４２－+5H２O。铁渣中铁元素的化合价应为高价,为+3价,CO２的物质的量为,根据CoC２O４的组成可知,Co元素物质的量为0.03mol。设钴氧化物的化学式为CoｘOｙ,根据元素的质量比可得, 解, 则钴氧化物的化学式为Co3O4。

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氧化还原反应在离子共存、离子方程式书写、电化学及有机化学中有着广泛的应用。

1.氧化还原反应在离子共存中的应用

离子之间因发生氧化还原反应而不能大量共存,这是离子共存题的必考点。 如Fe３＋与S２－(HS－、H２S)、SO３２－(HSO３－、SO２)、I－,NO３－(H＋)与S２－(HS－、H２S)、SO３２－(HSO３－、SO２)、 I－、Fe２＋,ClO－与S２－(HS－、H２S)、SO３２－(HSO３－、SO２)、I－、Fe２＋,MnO４－、Cr２O７２－与S２－(HS－、H２S)、SO３２－(HSO３－、SO２)、I－、Fe２＋、 Br－、Cl－(H＋)等离子,因发生氧化还原反应而不能大量共存。

2.氧化还原反应在书写氧化还原离子方程式中的应用

书写氧化还原反应离子方程式时,能否配平至关重要,依据元素化合价升降总数相等配平变价元素原子个数是氧化还原反应离子方程式配平的关键。

3.氧化还原反应在电化学中的应用

(1)原电池中,失电子的一极为负极,发生氧化反应;得电子的一极为正极,发生还原反应。电解池中,失电子的一极为阳极,发生氧化反应;得电子的一极为阴极,发生还原反应。

(2)书写电极反应式和总反应式时要依据各电极转移的电子数相等。

(3)计算电极质量的增减、溶液的pH和电极上产生气体的体积等,都要依据各电极上转移的电子数相等。

4.氧化还原反应在有机化学中的应用

有机上的氧化反应是指有机物加氧或去氢的反应,如乙醇催化氧化生成乙醛,甲苯被酸性高锰酸钾溶液氧化为乙酸,乙醛与新制氢氧化铜悬浊液反应等。有机上的还原反应是指有机物加氢或去氧的反应,如甲苯与氢气加成反应生成甲基环己烷,硝基苯生成苯胺等。

目前,有关氧化还原反应知识的命题趋势主要体现如下:以社会实际问题或典型事例为载体,考查学生对氧化还原反应相关概念的理解和应用能力;将氧化还原反应与对应物质性质的分析、推断结合在一起,考查学生对学科知识的综合应用能力;根据氧化还原反应原理书写所给的陌生化学反应方程式;氧化还原反应与电化学原理、新型绿色能源的开发相结合的考查。这些考点都是应用所学的氧化还原反应的理论来解决题中所给新信息、新情景下的问题,要求学生有较强的思维能力和自学能力。

【专项训练】

1.下列实验中,颜色变化与氧化还原反应有关的是( )

A. 往紫色石蕊试液中加入盐酸 , 溶液变红

B.饱和FeCl３溶液在沸水中变为红褐色

C.向FeSO４溶液中滴加NaOH溶液,生成的沉淀由白色变为灰绿色,最后变为红褐色

D.SO２使滴有酚酞的NaOH溶液褪色

2.有下列三个反应方程式:1Cl２+FeI２=FeCl２+I２;22Fe２＋+Br２=2Fe３＋+ 2Br－;3 Co２O３+6HCl(浓)=2CoCl２+ Cl２↑+3H２O。下列说法正确的是( )

A.1 2 3中的氧化产物分别是FeCl２、 Fe３＋、Cl2

B.根据以上反应的化学方程式可以得到氧化性强弱关系为Cl２>Co２O３>Fe３＋

C.在反应3中生成1mol Cl２时,有2mol HCl被氧化

D.根据反应12一定可以推理得到Cl２+ FeBr２=FeCl２+Br２

3. 某容器中发生一个化学反应 , 反应过程中存在H2O 、 ClO-、 NH3、 N2、 Cl-五种物质 , 在反应过 程中测得ClO和N 2的物质的量随时间变化的曲线如右图所示 。 下列有关判断中正确的是 ( )

A. 还原剂是NH 3 , 氧化产物是Cl-

B.配平后氧化剂与还原剂的计量系数之比为3∶2

C.该反应中氧化反应过程是ClO－→Cl－

D.标准状况下,若生成2.24LN２,则转移电子为0.5mol

4.向27.2g Cu和Cu２O的混合物中加入某浓度的稀硝酸0.5L,固体物质完全反应,生成NO和Cu(NO３)２,在所得溶液中加入1.0mol/L的NaOH溶液1.0L,此时溶液呈中性,金属离子已完全沉淀,沉淀质量为39.2g。

下列有关说法不正确的是( )

A.Cu和Cu２O的物质的量之比为2∶1

B. 硝酸的物质的量浓度为2.6mol / L

C.产生的NO在标准状况下的体积为4.48L

D.Cu、Cu２O与硝酸反应后剩余的HNO３为0.2mol

5.某一反应体系中有反应物和生成物共五种物质:O２、H２CrO４、Cr(OH)３、H２O、H２O２。 已知该反应中H２O２只发生如下过程:H２O２ →O２。

(1)该反应中,被还原的元素是______(填元素符号),还原剂是______(填名称)。

(2)在该反应中, 发生还原反应的过程是______→______。

(3)写出该反应的化学方程式,并标出电子转移的方向和数目:______。

(4)若该反应转移了0.3mol电子,则产生的气体在标准状况下的体积为______L。

【参考答案】

1.C 2.C 3.B 4.B

5. ( 1 ) Cr过氧化氢 ( 或双氧水 )

氧化还原反应专题突破 篇10

氧化还原反应知识贯穿于中学化学学习的始终, 每年必考, 题型主要是选择题和填空题, 形式新颖灵活。分析近几年的高考试题, 氧化还原反应主要从以下几个方面进行考查:氧化还原反应的概念以及概念之间的内在联系, 如氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物、氧化反应、还原反应的判断;物质氧化性、还原性强弱的比较;氧化还原反应方程式的配平或书写未知的氧化还原反应方程式;氧化还原反应中电子转移方向和数目的标定;有关氧化还原反应的简单计算。

今后命题将会继续集中在以下2个方面:①氧化还原反应的概念及应用, 包括氧化还原反应的配平与计算;②氧化性、还原性强弱的判断。同时也会因涉及知识面广, 可能出现新的题型、新的设问方式, 特别是与实验应用相结合会成为命题的新趋势。

【考纲要求】

1.掌握氧化还原反应有关的概念, 氧化还原反应的概念包括氧化和还原、氧化性和还原性、氧化剂和还原剂、氧化产物和还原产物等。命题多以选择题或填空题的形式出现。

2.综合运用化合价升降和电子转移的观点分析判断氧化还原反应中电子转移的方向和数目, 能配平氧化还原反应方程式。命题常以填空题的形式出现, 有时还需判断反应物或生成物。

3.会比较物质氧化性或还原性的强弱, 其主要依据是:氧化 (或还原) 剂的氧化 (或还原) 性强于氧化 (或还原) 产物的氧化 (或还原) 性。命题主要以选择题的形式出现。

4.运用电子得失守恒规律进行有关计算, 如确定化合价、电荷数、反应物或生成物的化学式等。命题常以选择题或填空题的形式出现。

【易错点例析】

易错点之一:化学反应的分类

例1.下列四类反应:①置换反应, ②复分解反应, ③没有单质参加的化合反应, ④没有单质生成的分解反应。其中一定不是氧化还原反应的是 ( )

A.只有② B.只有②③

C.②③④ D.①②③④

错解与诊断:对四种基本反应类型和氧化还原反应关系的理解不够深入, 有部分学生选C项。

本题只有A项正确。根据置换反应的概念和实质可以推知它一定是氧化还原反应。对于化合反应和分解反应, 只要有单质参加或生成, 则一定是氧化还原反应;而没有单质参加或生成的化合反应和分解反应, 则有些是氧化还原反应, 有些不是氧化还原反应。例如, 这样的两个反应:$\text{Ν}\text{a}{}_2\text{Ο}{}_2+\text{S}\text{Ο}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}\text{Ν}\text{a}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4$、$\text{Ν}\text{Η}{}_4\text{Ν}\text{Ο}{}_3\underset{}{\overset{△}{=}}\text{Ν}{}_2\text{Ο}+2\text{Η}{}_2\text{Ο}$, 虽然没有单质参加或生成, 但它们仍然属于氧化还原反应。

答案:A

例2.在一个密闭容器内有X、Y、Z、Q四种物质, 在一定条件下充分反应, 测定反应前后各物质的质量如下:

则该密闭容器中所发生的化学反应的类型可能为 ( )

A.化合反应 B.分解反应

C.氧化还原反应 D.置换反应

错解与诊断:本题适应新课标高考的要求, 虽然不要求判断出该反应具体是什么反应, 但取材于真实的反应:4Fe$(\text{Ο}\text{Η}){}_2+\text{Ο}{}_2+2\text{Η}{}_2\text{Ο}\underset{}{\overset{}{=}}4\text{F}\text{e}(\text{Ο}\text{Η}){}_3$。部分学生可能会忽略这个反应而漏选。

本题考查氧化还原反应及其与其他反应类型的关系。分析反应前后各物质质量的变化, 发现X在反应后增加107g, 说明X是生成物, 而Y、Z、Q三种物质在反应后质量都减少, 分别减少90g、8g和9g, 三种物质减少的总质量恰好等于生成的X的总质量。由此得出该反应是由三种物质生成了一种物质, 属于化合反应, A项是正确的;考虑到化合反应有可能属于氧化还原反应也有可能属于非氧化还原反应, C项也是正确的。D项显然是错误的。

答案:AC

纠错必备:

1.根据反应物和生成物类别以及反应前后物质种类的多少, 化学反应可按如下方式分类。

(1) 无机化学方面:化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应。

(2) 有机化学方面:取代反应、加成反应、消去反应、聚合反应。

2.根据反应中物质是否得失电子, 可把化学反应分为:氧化还原反应和非氧化还原反应。

3.根据是否有离子参加或生成, 可把化学反应分为:离子反应和非离子反应。

易错点之二:有机反应中的氧化反应与还原反应

例3.目前用乙烯制乙醛的过程分三步进行:

$①\text{C}\text{Η}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{Η}{}_2+\text{Ρ}\text{d}\text{C}\text{l}$${}_2+\text{Η}{}_2\text{Ο}\stackrel{}{\to }\text{C}\text{Η}{}_3\text{C}\text{Η}\text{Ο}+2\text{Η}\text{C}\text{l}+\text{Ρ}\text{d}$

$②\text{Ρ}\text{d}+2\text{C}\text{u}\text{C}\text{l}{}_2\stackrel{}{\to }\text{Ρ}\text{d}\text{C}\text{l}{}_2+2\text{C}\text{u}\text{C}\text{l}$

$③2\text{C}\text{u}\text{C}\text{l}+\text{Ο}{}_2+2\text{Η}\text{C}\text{l}\stackrel{}{\to }2\text{C}\text{u}\text{C}\text{l}{}_2+\text{Η}{}_2\text{Ο}$

下列叙述中正确的是 ( )

$\text{A}.\text{C}\text{Η}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{Η}{}_2$是还原剂, PdCl2是氧化剂

B.CuCl是还原剂, O2是氧化剂

$\text{C}.\text{C}\text{Η}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{Η}{}_2$是还原剂, O2是氧化剂

D.PdCl2和CuCl2都是催化剂

错解与诊断:本题出错主要是漏选。有机氧化反应指的是有机物加氧或去氢的反应, 包括醇被氧化、醛被氧化、醛类及含醛基的化合物与新制碱性Cu (OH) 2或银氨溶液的反应等;还原反应指的是有机物加氢或去氧的反应, 包括醛、酮、烯、炔、苯及其同系物、酚、不饱和油脂等的催化加氢等。对于反应$①‚\text{C}\text{Η}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{Η}{}_2$被加氧氧化 (为还原剂) , PdCl2被还原为Pd单质 (为氧化剂) ;但对于整个反应而言, PdCl2和CuCl2都仅仅参与了反应过程, 反应前后并未发生变化, 是催化剂, 而O2是氧化剂。

答案:CD

例4.在溴水中加入乙醛溶液, 对于反应现象及反应原理叙述正确的是 ( )

A.溴水不褪色, 无反应发生

B.溴水褪色, 发生加成反应

C.溴水褪色, 发生氧化还原反应

D.溶液分层, 上层橙红色, 下层无色, 发生萃取操作

错解与诊断:误认为乙醛可以与溴发生加成反应选B项;或者误认为乙醛是不溶水的有机物, 可萃取溴单质而选D项;或者误认为溴单质不与醛反应而选A项。

醛的加成反应, 主要是与H2加成, 即碳氧双键断开一个键, 再各加上一个氢原子形成醇, 即—CHO变成—CH2OH, 加氢或去氧称为还原反应。乙醛既能被弱氧化剂氧化, 也能被高锰酸钾溶液、溴水等强氧化剂氧化, 从而使它们褪色。

答案:C

纠错必备:

与无机化学中判断是否为氧化还原反应不同, 有机化学中是以有机物为变化对象, 分别判断是氧化反应还是还原反应。有机氧化反应主要包括有机物的燃烧氧化、加氧氧化和脱氢氧化等。如烃的燃烧, 烯烃、炔烃与酸性高锰酸钾溶液的反应, 乙醛与氧气的反应等都是加氧氧化;乙醇在铜催化下与氧气反应则属于脱氢氧化。中学化学中的有机还原反应, 主要指含不饱和碳的有机物与氢气发生的加氢还原反应。

易错点之三:氧化还原反应方程式的配平

配平方法:“一标二列三求四配五观六查”。

具体地说, 就是①标出反应前后元素的化合价, ②列出化合价的升降情况, ③求化合价升降的最小公倍数, ④根据所求的最小公倍数配出化合价发生变化的物质的化学计量数, ⑤用观察法配出所含元素化合价未发生变化的物质的化学计量数, ⑥用质量守恒和电荷守恒检查所配结果是否正确。注意:若需要标出电子转移方向和数目时, 箭头必须由还原剂指向氧化剂, 箭头两端对准得失电子的元素, 并在箭头的上方标出转移电子总数。

例5.配平方程式:KMnO4+KNO2+______$\stackrel{}{\to }\text{Μ}\text{n}\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Κ}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Κ}\text{Ν}\text{Ο}$3+H2O

错解与诊断:在一个氧化还原反应中缺少反应物或生成物时, 配平让学生往往束手无策。

一般是把反应物和生成物中的所有原子进行比较, 观察增加或减少了哪种元素:①若增加的元素是除H、O以外的非金属, 未知物一般是相应的酸;②若增加的元素是金属, 未知物一般是相应的碱;③若反应前后经部分配平后发现两边氢、氧原子不平衡, 则未知物是水。经比较发现, 生成物中增加了S元素, 则未知物是H2SO4, 其他步骤同上 (略) 。

答案:2KMnO4+5KNO2+3H2SO4$\underset{}{\overset{}{=}}2\text{Μ}\text{n}\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Κ}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+5\text{Κ}\text{Ν}\text{Ο}{}_3+3\text{Η}{}_2\text{Ο}$

易错点之四:有机氧化还原反应方程式的配平

例6.分析有机物中碳元素的化合价 (用氢氧标碳法, 即H+1价、O-2价, 再确定C的化合价) 及其变化, 配平下列化学方程式:

5C2H4O+2KMnO4+______$\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4\stackrel{}{\to }$______C2H4O2+______K2SO4+______MnSO4+______H2O

解析:C2H4O中2C:-1→0↑1×2=2

KMnO4中Mn:+7→+2↓5 ×5指C2H4O、C2H4O2化学计量数为5

×2指KMnO4、MnSO4化学计量数为2

用观察法配平其他物质的化学计量数:

$5\text{C}{}_2\text{Η}{}_4\text{Ο}+2\text{Κ}\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_4+3\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4\underset{}{\overset{}{=}}5\text{C}{}_2\text{Η}{}_4\text{Ο}{}_2+1\text{Κ}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+2\text{Μ}\text{n}\text{S}\text{Ο}{}_4+3\text{Η}{}_2\text{Ο}$

纠错必备:

对于有机物参与的氧化还原反应, 它的配平同样也可使用化合价升降法或电子转移法。但是有机物参与的氧化还原反应又有自身的特殊性, 即有机物加氢或去氧均属还原反应, 而加氧或去氢均属氧化反应, 故它的配平也可从得失电子数相等进行。

高考对氧化还原方程式的配平要求并不高, 所以平时不要搞得太复杂, 能做到灵活运用就行。另外, 有机氧化还原反应还可从得氧失氧、加氢去氢角度进行理解与配平, 即:得一个O原子, 化合价即升高2, 失一个O原子, 化合价即降低2;加一个H原子, 化合价即降低1, 去一个H原子, 化合价即升高1。

易错点之五:离子之间的氧化还原反应

例7.把铜粉和过量的铁粉加入到热的浓硝酸中, 充分反应后, 溶液中大量存在的金属阳离子是 ( )

A.Fe2+ B.Fe3+

C.Fe2+和Cu2+ D.Fe3+和Cu2+

错解与诊断:忽略过量的铁可将Cu2+置换出来从而错选C项。

浓硝酸具有强氧化性, 热的浓硝酸可将Fe和Cu分别氧化成Fe3+和Cu2+, 过量的铁又与Fe3+和Cu2+反应生成Fe2+和Cu, 所以充分反应后, 溶液中大量存在的金属阳离子为Fe2+。

答案:A

例8.在一定条件下, PbO2与Cr3+反应, 产物是Cr2O${}_7^{2-}$和Pb2+, 则参加反应的Cr3+与PbO2的个数之比为 ( )

A.1∶3 B.2∶3

C.1∶1 D.4∶3

错解与诊断:选A项。有些学生在解答此题时, 出现以下易错思维:一是想写出PbO2与Cr3+反应生成Cr2O${}_7^{2-}$和Pb2+的化学方程式, 通过判断化学计量数来选择答案, 此方法费时而且易错;二是认为Cr2O${}_7^{2-}$中Cr的原子数为2, 算Cr3+的电子变化数时除以2而误选A项。

本题的解题关键是认识到PbO2与Cr3+之间发生了氧化还原反应, 利用电子得失守恒来进行计算。设参加反应的Cr3+的数目为x, 参加反应的PbO2的数目为y, 则x× (6-3) =y× (4-2) , 解得x∶y=2∶3。

答案:B

纠错必备:

对于离子能否共存问题, 必须考虑两个问题:一看同组离子是否发生反应 (复分解或氧化还原) , 二看是否满足题干要求。

有颜色的离子:Fe3+、Fe2+、Cu2+、MnO-4……

强酸性 (或强碱性) , 说明溶液中除离子组内各离子外, 还应有H+ (或OH-) 。典型的氧化性离子 (如Fe3+、MnO-4、Cr2O${}_7^{2-}$等) 和典型的还原性离子 (如Fe2+、S2-、I-、SO${}_3^{2-}$等) 在溶液中会发生氧化还原反应。

易错点之六:复杂氧化还原反应的计算

例9.在铁与铜的混合物中, 加入一定量的稀HNO3溶液, 充分反应后剩余金属m1g, 再向其中加入一定量的稀硫酸, 充分振荡后, 剩余金属为m2g, 则m1和m2之间的关系是 ( )

A.m1一定大于m2

B.m1可能等于m2

C.m1一定等于m2

D.m1可能大于m2

错解与诊断:部分学生解此题时有一种典型的错误思维:铁与铜与一定量的稀HNO3反应后剩余的金属可能是铁与铜或者仅剩余铜, 若m1g中含有Fe和Cu时, 再加硫酸则铁溶解, 致使m1大于m2;若m1g中仅含Cu时, 再加硫酸铜不溶解, 致使m1等于m2, 故误选B、D项。错解原因主要是思维简单, 未认真分析题目中的隐含条件, 所以答题时要冷静思考, 仔细挖掘一些隐含信息。本题主要受铁能与稀硫酸反应而铜不能的迷惑, 忽视了一定量硝酸与足量金属反应后仍有NO-3存在。当加入稀硫酸后, 相当于又形成硝酸溶液, 不论铁还是铜均能继续反应。

铁与铜的混合物与一定量的稀HNO3反应, 当金属剩余时, 硝酸耗尽, 但生成物中含有Fe (NO3) 2和Cu (NO3) 2。若再加入稀H2SO4, 则又继续发生反应$3\text{C}\text{u}+8\text{Η}{}^{+}+2\text{Ν}\text{Ο}{}_3^{-}\underset{}{\overset{}{=}}3\text{C}\text{u}{}^{2+}+2\text{Ν}\text{Ο}\uparrow +4\text{Η}{}_2\text{Ο}$或$\text{F}\text{e}+4\text{Η}{}^{+}+\text{Ν}\text{Ο}{}_3^{-}\underset{}{\overset{}{=}}\text{F}\text{e}{}^{3+}+\text{Ν}\text{Ο}$↑+2H2O, 使金属的质量减少。

答案:A

例10.在反应$11\text{Ρ}+15\text{C}\text{u}\text{S}\text{Ο}{}_4+24\text{Η}{}_2\text{Ο}\underset{}{\overset{}{=}}5\text{C}\text{u}{}_3\text{Ρ}+6\text{Η}{}_3\text{Ρ}\text{Ο}{}_4+15\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4$中, 每摩尔CuSO4能氧化P的物质的量为 ( )

A.1/5mol B.2/5mol

C.3/5mol D.11/5mol

错解与诊断:选B项。从化学方程式可以看出, 当15molCuSO4参加氧化还原反应时将生成6molH3PO4, 所以1molCuSO4氧化2/5mol的P并生成2/5molH3PO4。出错原因是没有注意到H3PO4有一半是P自身氧化还原反应 (歧化反应) 生成的。

本题中的还原剂是P, 而氧化剂是P和CuSO4。由于反应过程中Cu从+2降为+1, 因此反应中共得到15mol的电子;而作还原剂的P在反应中从0升至+5价, 因此1molP得到5mol电子。因此15molCuSO4在反应中只能氧化3molP, 即每摩尔硫酸铜能够氧化0.2molP。

答案:A

纠错必备:

涉及复杂氧化还原反应的一般都是信息题, 处理相关信息时:一要准确理解信息内容;二要将信息、问题与所学的知识结合起来, 并应用于解题才行。

确定氧化还原反应中物质的化学计量数时, 要充分利用守恒法进行分析;确定物质化学式中某原子数目时, 还可能涉及化合价知识, 所以运用知识要灵活。

【跟踪训练】

1.根据表中信息, 判断下列叙述中正确的是 ()

A.表中①组反应可能有一种或两种元素被氧化

B.氧化性强弱比较:KClO3>Fe3+>Cl2>Br2

C.表中②组反应的离子方程式是$2\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_4^{-}+3\text{Η}{}_2\text{Ο}{}_2+6\text{Η}{}^{+}\underset{}{\overset{}{=}}2\text{Μ}\text{n}{}^{2+}+4\text{Ο}{}_2\uparrow +6\text{Η}{}_2\text{Ο}$

D.表中③组反应的还原产物是KCl, 电子转移数目是6e-

2.已知下述三个实验均能发生化学反应:

下列判断中正确的是 ( )

A.实验①中铁钉只作还原剂

B.实验②中Fe2+既显氧化性又显还原性

C.实验③中发生置换反应

D.上述实验证明氧化性:Fe3+>Fe2+>Cu2+

3.Na2FeO4是一种高效多功能水处理剂。一种制备Na2FeO4的方法可用化学方程式表示如下:$2\text{F}\text{e}\text{S}\text{Ο}{}_4+6\text{Ν}\text{a}{}_2\text{Ο}{}_2\underset{}{\overset{}{=}}2\text{Ν}\text{a}{}_2\text{F}\text{e}\text{Ο}{}_4+2\text{Ν}\text{a}{}_2\text{Ο}+2\text{Ν}\text{a}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Ο}{}_2\uparrow$。下列说法中不正确的是 ( )

A.Na2O2在上述反应中只作氧化剂

B.Na2FeO4既是氧化产物又是还原产物

C.Na2FeO4处理水时, 既能杀菌, 又能在处理水时产生胶体净水

D.2molFeSO4发生反应时, 共有10mol电子发生转移

4.小明为验证NO2的氧化性和NO的还原性, 设计了如下装置制取NO2和NO, 并验证其性质, 装置图如下:

(1) 写出甲中反应的离子方程式:______, 乙中的现象是______, 可证明NO2的氧化性;在丙中鼓入空气后现象是______, 可证明NO的还原性。

(2) 实验前丙中充满水的作用是______ (用反应方程式和简要文字回答) 。

(3) 小华对小明的实验设计提出了质疑, 他认为乙中的现象不足以证明NO2的氧化性, 他的理由是

你认为怎样才能准确证明NO2的氧化性?______ (简要回答出原理和现象即可) 。

5.氢化亚铜 (CuH) 是一种难溶物质, 用CuSO4溶液和“另一物质”在40～50℃时反应可生成。CuH具有的性质:不稳定, 易分解;在氯气中能燃烧;与稀盐酸反应能生成气体;Cu+在酸性条件下发生的反应是$2\text{C}\text{u}{}^{+}\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{u}{}^{2+}+\text{C}\text{u}$。

根据以上信息, 结合自己所掌握的化学知识, 回答下列问题:

(1) 在CuSO4溶液和“另一物质”制CuH的反应中, 用氧化还原观点分析, 这“另一物质”在反应中作______ (填“氧化剂”或“还原剂”) 。

(2) 写出CuH在氯气中燃烧的化学反应方程式: 。

(3) CuH溶解在稀盐酸中生成的气体的化学式是______。

(4) 如果把CuH溶解在足量的稀硝酸中生成的气体只有NO, 请写出CuH溶解在足量稀硝酸中反应的离子方程式: 。

6.已知高锰酸钾、二氧化锰在酸性条件下能将草酸钠 (Na2C2O4) 氧化:

$\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_4^{-}+\text{C}{}_2\text{Ο}{}_4^{2-}+\text{Η}{}^{+}\stackrel{}{\to }\text{Μ}\text{n}{}^{2+}+\text{C}\text{Ο}$2↑+H2O (未配平) ;

$\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_2+\text{C}{}_2\text{Ο}{}_4^{2-}+\text{Η}{}^{+}\stackrel{}{\to }\text{Μ}\text{n}{}^{2+}+\text{C}\text{Ο}$2↑+H2O (未配平) 。

为测定某软锰矿中二氧化锰的质量分数, 准确称量1.20g软锰矿样品, 加入2.68g草酸钠固体, 再加入足量的稀硫酸并加热 (杂质不参加反应) , 充分反应后冷却, 将所得溶液转移到容量瓶中用蒸馏水稀释至刻度, 从中取出25.0mL, 用0.0200mol·L-1高锰酸钾溶液进行滴定。当加入20.0mL溶液时恰好完全反应, 试根据以上信息完成下列各题:

(1) 配平上述两个离子方程式:

______MnO-4+______C2O${}_4^{2-}$+______$\text{Η}{}^{+}\underset{}{\overset{}{=}}\text{Μ}\text{n}{}^{2+}+$______CO2↑+______H2O;

______MnO2+______C2O${}_4^{2-}$+______$\text{Η}{}^{+}\underset{}{\overset{}{=}}\text{Μ}\text{n}{}^{2+}+$______CO2↑+______H2O。

(2) 欲求得软锰矿中二氧化锰的质量分数, 还缺一个数据, 这个数据是______ (填数据所代表的意义) 。

(3) 若该数据的数值为250, 求该软锰矿中二氧化锰的质量分数 (写出计算过程) 。

参考答案:

1.A 2.A 3.A

$4.(1)\text{C}\text{u}+4\text{Η}{}^{+}+2\text{Ν}\text{Ο}{}_3^{-}\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{u}{}^{2+}+2\text{Ν}\text{Ο}{}_2\uparrow +2\text{Η}{}_2\text{Ο}$溶液变浑浊 有红棕色气体生成

(2) 利用反应$3\text{Ν}\text{Ο}{}_2+\text{Η}{}_2\text{Ο}\underset{}{\overset{}{=}}2\text{Η}\text{Ν}\text{Ο}{}_3+\text{Ν}\text{Ο}$来制取NO, 并用排水法收集NO

(3) NO2和水反应生成的HNO3是一种氧化性酸, 可将Na2S氧化, 使溶液变浑浊 可将干燥的NO2与干燥的H2S气体混合, 若有淡黄色固体生成, 即可证明NO2的氧化性 (其他答案合理也可)

5. (1) 还原剂

$(2)2\text{C}\text{u}\text{Η}+3\text{C}\text{l}{}_2\underset{}{\overset{\text{燃}\text{烧}}{=}}2\text{C}\text{u}\text{C}\text{l}{}_2+2\text{Η}\text{C}\text{l}$

(3) H2

$(4)\text{C}\text{u}\text{Η}+3\text{Η}{}^{+}+\text{Ν}\text{Ο}{}_3^{-}\underset{}{\overset{}{=}}\text{C}\text{u}{}^{2+}+2\text{Η}{}_2\text{Ο}+\text{Ν}\text{Ο}$↑

6. (1) 2 5 16 2 10 8 1 1 4 1 2 2

(2) 容量瓶的容积

$(3)n(\text{C}{}_2\text{Ο}{}_4^{2-})=\frac{2.68\text{g}}{134\text{g}\cdot \text{m}\text{o}\text{l}{}^{-1}}=0.02$mol, 滴定250mL稀释后的溶液, 消耗n (MnO-4) =0.0200mol·L-1×0.02L×10=0.004mol。

根据氧化还原反应中得失电子数相等, 有:

n (MnO2) ×2+0.004mol×5=0.02mol×2

n (MnO2) =0.01mol, $\omega (\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_2)=\frac{0.01\text{m}\text{o}\text{l}\times 87\text{g}\cdot \text{m}\text{o}\text{l}{}^{-1}}{1.20\text{g}}\times 100\%=72.5\%$。

化学氧化还原 篇11

【关键词】人教版高中化学教材 氧化还原反应 电化学

自2004年开始，全国各地学校陆续使用新版高中化学教材，在新教材的使用过程中，不少教师反映课时不够并且对教材内容及深广度难以把握，有些困惑。我在教学工作中比较了新旧教材之间的差异，再结合新课程标准，认为我们还是要从整体上把握课程结构，才能体会到编者的编写思路和意图。

本文选取的教材是：人民教育出版社2007年出版的《化学1（必修）》，《化学2（必修）》，《化学4（选修）》。其中高中化学教材中的氧化还原反应与电化学是高中化学教学中的重点和难点。氧化还原反应的学习可以让学生从元素化合价变化与电子转移的角度认识化学反应，理解宏观反应现象与物质微观内在结构的必然联系，对化学反应的认识不再局限于仅仅依靠对宏观现象的判断；电化学内容的学习可以让学生深化理解氧化还原反应，让学生深刻体会到化学反应的能量变化现象，认识电能和化学能之间相互转化的装置，认识到运用化学知识发展技术的现实性，让学生体会到科学的价值与魅力所在，形成运用化学原理发展技术的能力。

我从以下几个方面来分析一下高中教材中的氧化还原反应与电化学内容：

一、知识内容的选择

根据氧化还原反应与电化学知识的内容特点，我们将氧化还原反应与电化学的知识内容分为氧化还原反应、原电池、电解池三个部分来分析。

二、教材的编排

高中化学教材将氧化还原反应与电化学分“氧化还原反應”、“化学能与电能”、“电化学基础”三章编排，一次分布在必修一、必修二、选修四中。“氧化还原反应”被编为必修一第2章“化学物质及其变化”的第三节。“化学能与电能”被编在必修二第2章“化学反应与能量”的第二节。选修四第4章是“电化学基础”共分四节编排依次是：“原电池”、“化学电源”、“电解池”和“金属的电化学腐蚀与防护”。

三、内容呈现方式

1.氧化还原反应

对于氧化还原反应概念的呈现，高中化学教材是先给出了生活中的事例，让学生建立起氧化还原反应的概念，然后从化合价和电子得失的角度分析，以帮助学生理解氧化还原反应的特征，最后再给出实例让学生运用氧化还原反应的原理进行理解判断。例如对金属的置换反应、盐溶液的置换反应、金属与水反应，及以氢作为还原剂、预测金属活动性顺序等反应分析，增加学生对氧化还原反应的理解。

2.原电池内容

高中化学教材中呈现了铜锌原电池、锌锰电池、铅蓄电池、燃料电池进行原电池原理讲解。

3.电解池内容

高中化学教材以氯化钠溶液电解为例，说明电解池的阴阳极反应、电子流动方向、电路回路及物质的变化情况等。其次，教材中举出了电解池的工业应用，如冶金、电镀、外加电源保护金属等。

通过以上的分析，我们可以得出的结论是：氧化还原反应在中学化学新课程体系中是分阶段完成的。氧化还原反应的知识系统都不是一次性呈现一个完整的结构单元，而是采用分段呈现的方式，通过螺旋上升的方法穿插编排，分散在高中的不同章节，且高中呈现的知识比初中有明显的生长性。

分析教材为的是对我们日常教学过程和教学设计提供一定的启示和反思，总结如下：

建构主义学习理论认为，学习不是简单的信息积累，而是学生已有知识经验或原有认知结构与从环境中主动选择和注意的信息相互作用以及由此引发的认知结构的重组。在初中化学中，学生已经从得氧、失氧的角度学习了氧化反应和还原反应，知道物质得到氧就是氧化反应，物质失去氧就是还原反应，从分析木炭还原氧化铜的反应入手，既要分析物质变化，还要分析元素化合价的改变，使学生了解氧化反应和还原反应同时存在，不能分开，是既对立又统一的，那么对于这一类型的反应，到底称它为氧化反应还是还原反应呢？学生自然明确这样的反应是氧化还原反应。

在氧化还原反应原理的教学设计上应提供学生感性认识的引导，例如可以列举生活中的电池、水果电池、人体内的原电池等，激发学生学习原电池的兴趣。为了让学生从电子转移角度认识氧化还原反应的本质，必须要采取直观教学的方法——原电池实验，让学生看到电流表指针偏转，从而从感官上接受其微观实质。在图片上清晰注明电流走向、电极反应、溶液中离子移动和交换，这样都便于学生理解掌握，并记忆深刻。

【参考文献】：

[1]胡久华，王 磊，刘宇红. 中学化学概念探究教学初探-以氧化还原反应教学为例，化学教育[J]，2005，9：24-27

[2]丁伟，李秀滋，王祖浩.氧化还原反应误概念研究，化学教学[J]，教师论坛，2006，10：16-19

氧化还原反应考点透视 篇12

一、对基本概念进行考查

学习氧化还原反应, 首先要掌握氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物、氧化性、还原性、氧化产物、还原产物的概念, 并能依据这些概念进行判断, 若对这几个概念不能进行熟练的掌握, 会导致很多试题的解析出现失分。

例1 (2008上海) 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

试题分析:这类题目是对氧化性、还原性等基本概念的考查, 只要掌握价态和性质间的关系, 并能对几个基本概念作出正确判定, 即可轻松得解。

思路点拨:解题中可以依据元素具有最高价时只有氧化性, 元素具有最低化合价时只有还原性, 而处于中间价态时既具有氧化性又具有还原性可以轻松得出答案。解题时一定要注意F和其他卤族元素的区别, F没有正价, 最高化合价为0。

参考答案:A

二、考查氧化性、还原性强弱规律

这一考点要求掌握重要的氧化剂、还原剂之间的常见反应, 并能根据反应比较氧化性或还原性的强弱, 考题不会太难, 多以选择题出现, 掌握氧化 (或还原) 剂的氧化 (或还原) 性强于氧化 (或还原) 产物的氧化 (或还原) 性即可。

例2 (2005江苏化学) 已知Co2O3在酸性溶液中易被还原为Co2+, 且Co2O3 、Cl2、 FeCl3、I2氧化性依次减弱, 下列反应在水溶液中不可能发生的是 ( )

A.3Cl2+6FeI2=2FeCl3+4FeI3

B.Cl2+FeI2=FeCl2+I2

C.Co2O3+6HCl=2CoCl2+Cl2↑+3H2O

D.2Fe3+ + 2I- =2Fe2++I2

试题分析:此类题的考查方式可以是从几个方程式中得出氧化性、还原性强弱的顺序, 也可以告诉氧化性还原性的强弱, 判定反应进行的可能性。解题关键是:抓住“在同一反应中, 氧化剂的氧化性>氧化产物的氧化性, 还原剂的还原性>还原产物的还原性”这一判定规律。

思路点拨:题目给出了信息“Co2O3、Cl2、 FeCl3、I2氧化性依次减弱”, 根据信息由于氧化性FeCl3>I2, 说明还原性I->Fe2+, 当氧化剂Cl2的量不足时, 先氧化还原性强的I-, 故A项不正确, B项正确;氧化性Co2O3>Cl2, C项反应说明Co2O3能把Cl-氧化为Cl2, 而本身被还原为CoCl2, 此情况符合题干中的信息提示, 故C正确;D项说明Fe3+能将I-氧化为I2, 符合题干信息, 故正确。

正确答案:A

三、氧化还原方程式的配平

配平氧化还原方程式的理论依据是“反应中化合价升高的总数等于化合价降低的总数”, 可以依照先标价态并找出价态变化的最小公倍数, 然后配平化合价发生变化的物质, 最后用观察法配平其他物质。

例3 (2008全国Ⅱ) (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

试题分析:氧化还原反应的实质是电子转移, 特征是化合价升降, 我们在解题中更多的用到“化合价升高的总数等于化合价降低的总数”这一规律, 解题中紧抓这一主线, 并对反应中发生价态变化的元素做出正确判定, 即可得出正确答案。

思路点拨:此题实际上考查了化学方程式的配平, 在反应中 (NH4) 2SO4分解为NH3、N2、SO2和H2O, 不难看出反应中N元素从 (NH4) 2SO4变为N2化合价从-3变为0, 两个氮原子化合价共升高6, 硫元素从+6降低为+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SO2的系数为3, (NH4) 2SO4的系数也为3, NH3的系数为4, H2O系数为6, 从而得出配平后的化学方程式为:undefined。

参考答案:C

四、考查有关氧化还原反应的计算

很多计算题都会涉及氧化还原反应, 我们在进行计算时可以巧妙的利用电子守恒, 即氧化还原反应中氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数, 从而降低计算难度。

例4 (2008海南) 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.0.5mol D.0.25mol

试题分析:有关氧化还原反应的计算问题, 一般是对电子转移问题的考查, 这类题目的解析一定要走出命题者所给的“数字陷阱”, 巧妙的利用守恒法进行解题, 否则必将事倍功半, 浪费宝贵的答题时间。

思路点拨:此题考查了电子守恒在氧化还原反应中的应用, 因为当生成1 mol硝酸锌时, 金属锌共失去2mol电子, 根据题意知, 在反应中硝酸被还原为硝酸铵, 一个氮原子可以得到8个电子, 因此2mol电子对应被还原的硝酸为0.25mol, 我们在解答本题时, 还可利用配平的方程式直接得出答案, 利用氧化还原方程式的配平方法可得出配平后的化学方程式为:4Zn+10HNO3 (稀) undefined4NO3+3H2O, 由方程式可知当生成1mol的Zn (NO3) 2时, 被还原的HNO3为0.25mol。

参考答案:D