师:同学们,大家好。今天我们来学习氧化还原反应第二课时——氧化剂、还原剂。
首先请看本节课的学习目标:一、通过对元素化合价的分析,建立氧化剂、还原剂的概念,理清氧化还原反应相关概念之间的联系;二、理解并掌握氧化还原反应中电子转移的方法——双线桥法和单线桥法;三、认识氧化还原反应在生产生活中的普遍存在,运用氧化还原反应的相关理论解释相关现象、解决有关问题。
根据上节课的学习,我们知道补铁剂硫酸亚铁放置在空气中易被氧化。请同学们思考,补铁剂被氧化过程中铁元素化合价可能怎样改变?
生:补铁剂被氧化的过程中,铁元素化合价应升高,即亚铁离子被氧化成铁离子。
师:已知该过程发生的离子反应如下所示,请同学们根据上节课所学知识,分析在该反应中的化合价升降、电子得失情况。
(展示离子反应式)
生:根据该反应中化合价变化可知,铁元素从正二价升高到正三价,铁元素化合价升高,失电子被氧化;氧元素从零价降低到负二价,化合价降低得电子被还原。
师:在化学中,我们把被氧化得到的产物叫氧化产物,其所对应的反应物叫还原剂,即所含元素化合价升高的反应物;被还原得到的产物叫还原产物,其所对应的反应物叫氧化剂,即所含元素化合价降低的反应物。可以看出,氧化剂、还原剂是对氧化还原反应中的反应物进行分类。其中,氧化剂所含元素化合价降低,即得到电子或电子对偏向,具有氧化性,本身被还原;还原剂所含元素化合价升高,即失去电子或电子对偏离,具有还原性,本身被氧化。在氧化还原反应中,电子从还原剂转移到氧化剂。
明白了氧化剂、还原剂的定义,我们再回到课前的问题。已知人体更易吸收亚铁离子,而很难吸收铁离子,但亚铁离子又很容易被氧气氧化成铁离子。那怎么解决这个问题呢?老师在查看补铁剂说明书的时候看到一段话:维生素 C 与本品同服,有利于吸收。请同学们从氧化还原的角度思考,维生素 C 起什么作用?
生:维生素 C 可将人体难吸收的铁离子还原为亚铁离子,从而促进人体对铁的吸收。
师:通过这个例子,同学们在用药之前要养成看说明书的习惯,按说明书服用可能效果会更好。
由于化合价变化是氧化还原反应的特征,所以我们在分析的时候更多的是从化合价变化的角度去分析氧化剂、还原剂。接下来请同学们暂停播放,分析下列反应,指出哪些物质是氧化剂?哪些物质是还原剂?其所对应的还原产物和氧化产物分别是什么?
反应一:铁与硫酸铜反应生成硫酸亚铁和铜。
生:元素化合价的变化是,铁元素由反应前的 0 价升高到反应后的正二价,铁元素化合价升高,铁单质失去电子,被氧化,作还原剂,同时对应产物硫酸亚铁是氧化产物;铜元素由反应前的正二价降低到反应后的 0 价,铜元素化合价降低,硫酸铜得到电子,被还原,做氧化剂,同时对应产物铜是还原产物。
师:反应二:氧化铁与一氧化碳在高温下生成铁单质与二氧化碳。
生:元素化合价变化是,碳元素由反应前的正二价升高到反应后的正四价,碳元素化合价升高,一氧化碳失去电子,被氧化,作还原剂;铁元素由反应前的正三价降低到反应后的 0 价,铁元素化合价降低,氧化铁得到电子,被还原,做氧化剂,同时对应产物铁单质为还原产物。
师:通过刚刚的练习,我们知道了氧化剂、还原剂的化合价变化规律。实际生产生活中除了表格中这些氧化剂、还原剂外,还有以下常见的氧化剂和还原剂。请同学们根据所标元素价态思考它们作为氧化剂、还原剂所对应产物的存在形式或该元素在产物中的价态。
(展示常见氧化剂、还原剂及对应元素价态)
根据氧化还原规律,氧化剂在反应中所含元素化合价应降低,得到还原产物。所以氧气对应的还原产物中氧元素一般是负二价;氯气对应的还原产物一般是 -1 价的氯离子;铁离子对应还原产物是亚铁离子;高锰酸根离子在酸性条件下对应还原产物是二价锰离子;过氧化氢作氧化剂对应还原产物应为水。还原剂在反应中所含元素化合价应升高,得到氧化产物。所以碳或一氧化碳对应的氧化产物一般为二氧化碳;氢气对应的氧化产物中氢元素显正一价;活泼金属单质所对应的氧化产物是金属阳离子;亚铁离子对应氧化产物是铁离子;碘离子对应的氧化产物是碘单质。
通过以上的学习,我们知道氧化还原反应中存在电子得失,即电子转移。那如何用符号表示出电子转移的情况呢?我们来看补铁剂硫酸亚铁被氧气氧化这条离子方程式。可以看到铁元素在发生反应后化合价升高。
(展示离子方程式)
我们用箭头从反应前的铁元素指向反应后的铁元素,在箭头上写上“化合价升高,失电子”。那这个过程失去多少电子呢?请同学们注意,在氧化还原反应中,得失电子数等于有价态改变的原子个数乘以每个原子得或失电子的个数。在这个反应中,铁元素升高一价,即失去一个电子,总共有 4 个铁的化合价升高,所以共失去 4×1 个电子。氧元素从 0 价降低到 -2 价,我们用一个箭头从反应前的氧元素指向反应后的氧元素,写上“化合价降低,得电子”,降低两价,得到两个电子,在该反应中共有两个氧原子化合价都降低,所以共得到 2×2 个电子。这种表示方法,我们把它叫做双线桥法。显然,双线桥法能清晰明了地表示出反应中化合价变化和电子得失情况。同时我们也知道,在这个反应中,亚铁离子失去了 4 个电子,氧气得到了 4 个电子,该过程共转移了 4 个电子。我们还可以用一个箭头从失电子的铁原子指向得电子的氧原子,因为箭头方向已经是电子转移的方向,因此只需要在箭头上写上转移电子数“4e?”。这种表示方法我们叫单线桥法,单线桥法能清晰地表示出电子转移的情况。请同学们注意,在这两种表示方法中,得失电子总数相等,等于化合价的变化总数。
接下来请同学们暂停播放,完成以下练习。
(展示练习:铝与氧化铁在高温下反应生成氧化铝和铁)
生:根据题意,我们写出该反应化学方程式为:$2Al + Fe?O? \stackrel{高温}{=!=!=} Al?O? + 2Fe$。通过标出反应前后化合价有变化的元素,我们发现铝元素从零价升高到了正三价,一个铝原子失去 3 个电子,共有两个铝原子化合价都升高,即失去$2×3$个电子;铁元素从正三价降低到 0 价,一个铁原子得到 3 个电子,共有两个铁原子化合价都降低,即得到$2×3$个电子。这是双线桥法。根据该反应的分析,在该反应中,铝原子失去电子,铁原子得到电子。我们用箭头从铝指向铁,并在箭头上标明转移电子数“6e?”,这是单线桥法。
