- calculate oxidation numbers of elements in compounds and ions
- use changes in oxidation numbers to help balance chemical equations
- explain and use the terms redox, oxidation, reduction and disproportionation in terms of electron transfer and changes in oxidation number
- explain and use the terms oxidising agent and reducing agent
- use a Roman numeral to indicate the magnitude of the oxidation number of an element
电化学
A-Level 化学 · 第 6 主题
6.1
Redox processes: electron transfer and changes in oxidation number (oxidation title_zh: 氧化还原过程：电子转移与氧化数（氧化态）的变化 state)
大纲
来源:剑桥国际大纲
氧化数(oxidation number,也叫氧化态)表示一个原子与游离元素相比失去或获得了多少电子(electrons)。你用一些简单规则把它算出来:
- 一个未化合的元素氧化数为 $0$。
- 一个简单离子的氧化数等于它的电荷(所以 $\text{Mg}^{2+}$ 是 $+2$)。
- 第 1 族总是 $+1$,第 2 族总是 $+2$。
- 氢是 $+1$(但在金属氢化物中是 $-1$)。
- 氧是 $-2$(但在过氧化物中是 $-1$)。
- 氟总是 $-1$。
- 一个中性化合物中的氧化数加起来为 $0$;在一个离子中它们加起来等于电荷。
一个罗马数字表示一个元素氧化数的大小,例如铁(II)意味着 $+2$,$\text{KMnO}_4$ 中的锰(VII)意味着 $+7$。
例题。 求硫酸根离子 $\text{SO}_4^{2-}$ 中硫的氧化数。
每个氧是 $-2$,所以四个氧给出 $4 \times (-2) = -8$。在一个离子中数字加起来等于电荷,这里是 $-2$。若硫是 $x$:
$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$
例题。 求硝酸根离子 $\text{NO}_3^-$ 中氮的氧化数。
$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| oxidation number | 氧化数 | yǎng huà shù |
| electron | 电子 | diàn zi |
| oxidation | 氧化 | yǎng huà |
6.1
从电子角度理解氧化还原
氧化还原(redox)反应是一个电子从一个物种移动到另一个物种的反应。
- 氧化(oxidation)是电子的失去。氧化数升高。
- 还原(reduction)是电子的获得。氧化数降低。
一个有用的记忆法是 OIL RIG:Oxidation Is Loss(氧化是失去),Reduction Is Gain(还原是获得)。
氧化和还原总是同时发生,因为一个物种失去的电子被另一个获得。这种电子转移(electron transfer)就是我们叫它氧化还原反应的原因。
探索
Redox is electron transfer
Step through it: the metal loses (is oxidised) and the non-metal gains (is reduced) — oxidation number rises for one, falls for the other.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| redox | 氧化还原 | yǎng huà huán yuán |
| reduction | 还原 | huán yuán |
| electron transfer | 电子转移 | diàn zi zhuǎn yí |
6.1
用氧化数配平方程式
氧化数的变化帮助你配平一个氧化还原方程:
- 找出氧化数升高的元素(它被氧化)和数字降低的元素(它被还原)。
- 总升高必须等于总降低,因为每一个失去的电子都在某处被获得。
- 选择两个物种的比,使升高和降低相符,然后配平方程的其余部分。
例题。 配平酸中锰酸根(VII)与铁(II)的反应:$\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$。
锰从 $+7$ 降到 $+2$(降 $5$);铁从 $+2$ 升到 $+3$(升 $1$)。为使总降低等于总升高,每 $1$ 个锰酸根离子取 $5$ 个铁离子。然后用水配平氧($4\,\text{H}_2\text{O}$)、用 $\text{H}^+$ 配平氢($8\,\text{H}^+$):
$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$
6.1
歧化反应
歧化(disproportionation)是一种特殊的氧化还原反应,其中同一元素同时既被氧化又被还原。例如,当氯与冷水反应时,一些氯原子被还原(成 $\text{Cl}^-$),另一些被氧化(成 $\text{ClO}^-$)。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| disproportionation | 歧化 | qí huà |
6.1
氧化剂与还原剂
- 一个氧化剂(oxidising agent)从另一个物种夺走电子。这样做时,它自己被还原。
- 一个还原剂(reducing agent)把电子给另一个物种。这样做时,它自己被氧化。
所以在任何氧化还原反应中,氧化剂引起另一个物种的氧化,而还原剂引起还原。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| oxidising agent | 氧化剂 | yǎng huà jì |
| reducing agent | 还原剂 | huán yuán jì |
6.1
考试技巧
- 按顺序应用氧化数规则:O 是 $-2$,除了在过氧化物中($-1$);H 是 $+1$,除了在金属氢化物中($-1$)。
- 在一个氧化还原方程中,氧化数的总增加等于总减少——用这个确定比,然后用 $\text{H}_2\text{O}$ 配平 O、用 $\text{H}^+$ 配平 H。
- 一个氧化剂自己被还原;为拿满分,既要说明什么被氧化/还原,也要说明是哪个剂。
- 歧化是同一元素既被氧化又被还原——显示两个氧化数的变化。
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