高一下期末化学复习-Ch16

1 Oxidation-reduction reaction (Redox reaction) 氧化还原反应 (Ch 16)

1.1 Redox reaction 氧化还原反应

Oxidation-reduction reaction（氧化还原反应）的物理本质是电子转移。

1. Oxidation: 失去电子的过程，氧化反应
2. Reduction: 得到电子的过程，还原反应
3. reducing agent: 还原剂，氧化别人自己被还原
4. oxidizing agent: 氧化剂，被氧化别人自己被还原

e.g.
$$\ce{C(s) + O_2(g) ->[ignite] CO_2(g)}$$
在这个反应过程中，$C$是reducing agent(还原剂)，$O_2$是oxidizing agent(氧化剂)。$C$被$O_2$氧化(be oxidized)，还原(reduced)$O_2$，失去电子；$O_2$被$C$还原(be reduced)，氧化(oxidized)$C$，得到电子。

1.2 oxidation number: 从单质状态到当前状态的过程的电子转移。

该部分需要做到给任意一个化合物，能够判断出其中各个元素的oxidation number；以及给一方程式，能够判断oxidation number的变化。

e.g.1
$$ \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_2}$$
$\overset{+4}{C}$说明$C$的oxidation number为+4，从单质状态经历了4次oxidation，$\overset{-2}{O_2}$说明$O$的ocxidation number为-2，从单质状态经历了2次reduction。数值上其实就是“失去电子的个数“（正为失去，负为得到）。而整体为0，是因为无论是$C$还是$O$都是从单质状态下变成这个样子（显电中性）。

注意要和离子的电荷区分开，离子的电荷是指栗子当前的状态带几单位的正电荷，而oxidation number是指从单质状态到当前状态的过程的电子转移。
e.g.2
$$\overset{+2}{Mg^{2+}} \quad \overset{-1}{Cl^-}$$
$\overset{+2}{Mg}$的$+2$是$Mg$的oxidation number，到目前这个状态失去了两单位电子，经历了两次oxidation，而${Mg}^{2+}$的$2+$是离子的电荷，是指当前${Mg}^{2+}$这个状态带了2单位的正电荷。同理，$\overset{-1}{Cl}$的$-1$是$Cl$的oxidation number，而${Cl}^{-}$的$-$是离子的电荷，是指当前${Cl}^{-}$这个状态带了1单位的负电荷。

e.g.3
$$\overset{0}{Zn} \quad \overset{+2}{Zn^{2+}} \quad \overset{+2}{Zn}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4} \quad \overset{+1}{H}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3}(aq) \quad \overset{+1}{K_2}\overset{+6}{Cr_2}\overset{-2}{O_7}(aq)$$

1.3 电子转移分析及配平（4’*2）

e.g.

1. $\ce{\overset{0}{Zn}(s) + \overset{+1}{H}_2SO4(aq) -> \overset{-2}{Zn}SO4(aq) + \overset{0}{H}_2(g)}$
   
   在这个过程中，$Zn$失去两单位电子，$H$得到一单位电子，但总共有两个$H$得到电子，故总反应电子守恒。其中，$Zn$被$H_2SO_4$氧化，$H_2SO_4$被$Zn$还原；$H_2SO_4$是氧化剂，$Zn$是还原剂。
2. $3\ce{\overset{0}{Cu}(s) + 8H\overset{+5}{N}O3 -> 3\overset{+2}{Cu}(NO3)2(aq) + 2\overset{+2}{N}O(g) +4H2O(l)}$
   
   在这个过程中，3个$Cu$失去两单位电子，共计失去6单位电子，2个$N$得到三单位电子，共计得到6单位电子，总反应电子守恒。其中，$Cu$被$HNO_3$氧化，$HNO_3$被$Cu$还原；$HNO_3$是氧化剂，$Cu$是还原剂。
   
   需要注意的是，在这个过程中，有一部分N没有经历电子转移。在这个过程中，只有两个$N$经历了电子转移，而另外六个$N$没有经历电子转移，它们的oxidation number没有变化，仍然是+5。这是因为$N$在$HNO_3$中的oxidation number就是+5，而在$Cu(NO_3)_2$中的oxidation number也是+5，所以这六个$N$没有经历电子转移。这六个$N$在这个过程中只是在不同的物质中，而没有经历电子转移，它们的oxidation number没有变化。
3. $\ce{\overset{0}{Cl}_2(g) + 2NaOH(aq) -> Na\overset{-1}{Cl}(aq) + Na\overset{+1}(Cl)O(aq) + H2O(l)}$
   
   在这个过程中，一个$Cl$得到一单位电子，另一个$Cl$失去一单位电子，总反应电子守恒。
   需要注意的是，在这个过程中，Cl自己和自己发生电子转移。在特殊情况下，同一物质自己转移电子这件事情是可能发生的。在这种情况下，$Cl$自己既是oxidizing agent, 也是reducing agent.

1.4 氧化还原反应应用 （化学方程式需要重点关注）

高炉炼铁

$$\ce{\overset{+3}{Fe}_2O3(s) + 3\overset{+2}{C}O(g) ->[high temp] 2\overset{0}{Fe}(s) + 3\overset{+4}{CO}_2}(g)$$
$$\ce{C(s) + O2(g)->[ignite] CO2(g)}$$
$$\ce{C(s) + CO2(g) ->[high temp] 2CO(g)}$$
$$\ce{CaCO3 ->[high temp] CaO + CO2}$$
$$\ce{SiO2(s) + CaO(s) ->[high temp] CaSiO3(l)}$$

注：用CO可以让反应面积增加

$\ce{C(s) + O2(g)->[ignite] CO2(g)}$，$\ce{C(s) + CO2(g) ->[high temp] 2CO(g)}$ 这两步可以生成$CO$用来还原$Fe$。
$\ce{CaCO3 ->[high temp] CaO + CO2}$，这一步有两个作用。一方面可以生成$CO_2$，再添加焦炭可以生成$CO$用来还原$Fe$；另一方面，生成的$CaO$可以和$SiO_2$反应，生成$CaSiO_3$，这一步的作用是将铁矿石中的石头变成液体方便流出，提高铁的纯度（如果是固体的话，很难讲石头从铁矿石中弄走）。

注意需要进行区分，以上的前三个化学方程式都是Redox reaction，但是最后一个并不是：
$$\ce{SiO2(s) + CaO(s) ->[high temp] CaSiO3(l)}$$
在这个过程中，$Si$和$O$的oxidation number都没有发生变化，所以这个过程不是Redox reaction。这个反应是酸性氧化物和碱性氧化物发生反应，生成盐（离子化合物，但在高温状态下为液体）。

洗涤剂

$$\ce{Cl2(g) + 2NaOH(aq) -> NaCl(aq) + Na\overset{+1}{Cl}O(aq) + H2O(l)}$$
在这个反应中，$\overset{+1}{Cl}$缺电子，抢别人的电子能力很强（强氧化剂），有很好的杀菌能力，去污效果很好（直接破坏污渍结构）。

金属的腐蚀与防护

$$\ce{3Fe(s) + 2O2(g) ->[high temp] Fe3O4(s)}$$
通过这个反应，在铁的表面形成一层致密的氧化层，称之为烤蓝。同时，涂一层油漆也是一种很好的防止金属腐蚀的方法其他方法详见Ch 1。

化学和生物发光(Luminol)

发亮一定发生电子转移（电子跃迁）。