氧化还原反应

本节主要包括三部分内容，即氧化还原反应的概念、氧化还原反应的特征和氧化还原反应的本质。
在第一部分内容中，教科书以“思考与交流”的方式，让学生通过列举几个氧化反应和还原反应的实例，从得氧、失氧的角度对这些反应进行分类，最后得出氧化反应和还原反应是同时发生的结论，从而得出氧化还原反应的概念。
在第二部分内容中，教科书还是以“思考与交流”的方式，让学生对常见的化学反应从元素的化合价是否发生了变化进行分类，分析氧化还原反应与元素化合价升降的关系，引出氧化还原反应的特征。将氧化还原反应扩大到虽然没有得氧、失氧关系，但只要化学反应前后元素化合价有升降的反应都属于氧化还原反应。
第三部分主要从微观的角度来认识电子转移与氧化还原反应的关系，这是本节的主要内容。教科书以钠与氯气的反应、氢气与氯气的反应为例，从原子结构的角度讨论了氧化还原反应与电子转移的关系，并从电子转移的角度给氧化还原反应下了一个更为本质的定义。第三部分的最后安排了“学与问”，要求通过讨论，分析置换反应等基本类型的反应与氧化还原反应的关系，并要求学生用交叉分类示意图简要表示这种关系。
本节最后简介了氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中的重要应用，同时也辩证地介绍了氧化还原反应会给人类带来危害等。
本节重点和难点：氧化还原反应的本质。
教学建议如下：
1.化合价变化和电子转移的关系是本节教学的关键。教学中可结合实例，从得氧失氧、化合价升降到电子转移，一环扣一环、由表及里地揭示氧化还原反应的本质。当然，也要告诉学生在学习过程中要正确、恰当地看待概念的形成和发展。
2.本节所设置的两个“思考与交流”起到了承上启下的作用，而“学与问”则对两种不同化学反应分类方法──氧化还原反应和四种基本类型反应有机地联系在一起，起到了巩固、升华的作用。建议教师在教学中重视培养学生“讨论探究式”的学习方法，精心设计讨论过程（如可设计不同的思路引导讨论，形式也可多种多样）。同时注意教学中要留出时间，指导学生阅读教科书、练习巩固，并引导学生进行小结。
对于第一个“思考与交流”，可首先组织学生复习初中学过的氧化反应、还原反应的概念，引导学生从得氧、失氧的角度对化学反应进行分类。接着组织学生讨论，得出氧化反应和还原反应同时存在、不能分开，从而引出本节要学习的氧化还原反应的内容。
对于第二个“思考与交流”，要引导学生从元素的化合价是否发生了变化的角度，对化学反应进行分类。这样一方面突出了分类的思想方法，另一方面也把初、高中知识自然地衔接起来。
3.正确、辩证地认识氧化还原反应中各有关物质的相互关系是很重要的。例如，讲氧化剂和还原剂时，应着重说明在氧化还原反应中，氧化剂从还原剂获得电子而被还原，还原剂则将电子转移给氧化剂而被氧化，氧化剂与还原剂在反应中是相互依存的。
4.对于氧化还原反应，教科书只要求学生知道在氧化还原反应中，某些元素的化合价在反应前后发生了变化；氧化还原反应的本质是有电子转移（得失或偏移）。不要引入“双线桥”“单线桥”以及氧化还原方程式的配平等内容。常见的氧化剂和还原剂也仅限于教科书中的例子。
二、问题交流
【思考与交流1】
1.提示：硫、铁、铝与氧气的反应，氢气还原氧化铜，木炭还原氧化铜等。这类反应的分类标准为得氧即氧化反应，失氧即还原反应。
2.提示：在木炭还原氧化铜的反应中，既有氧化铜失去氧发生的还原反应，还有碳得到氧发生的氧化反应。因此，氧化反应和还原反应是同时发生的。
【思考与交流2】
1.
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu Fe 的化合价升高，Cu的化合价降低
Mg+2HCl=MgCl2+H2↑ Mg 的化合价升高，H的化合价降低
S+O2=SO2 S 的化合价升高，O的化合价降低
CuO+H2=Cu+H2O H 的化合价升高，Cu的化合价降低
2.不是，只要反应前后化合价有升降的反应都是氧化还原反应。
【学与问】
1.提示：正确。因为在这几类反应中，反应前后都有元素化合价发生变化。
2.提示：化合反应、分解反应、置换反应与氧化还原反应的交叉分类示意图（可以启发学生思考多种表示方法）：
三、习题参考
1.提示：碳元素和铜元素。碳元素的化合价升高，铜元素的化合价降低。
2.C
3.C、B
4.提示：反应中元素的原子发生了电子转移（得失或偏移）。失去（或偏离）；获得（或偏向）。
教学资源
1.科学方法简介

类 别名 称定 义方法举例
获取科学事实的方法观察通过感官或借助一定仪器，有目的、有计划地考察和描述客观对象的方法直接观察
间接观察
实验根据一定的研究目的，运用一定的物质手段（通常是科学仪器和设备），在人为控制或模拟自然现象的条件下获取科学事实、探索其本质和规律的方法定性实验
定量实验
对照实验
模拟实验
思想实验按照实验的模型展开的思维活动，是一种特殊实验方法理想实验
想象实验
整理科
学事实
的方法比较通过相关对象之间的对比，确定它们的差异点和共同点，并发现其共同规律的思维方法求同比较
求异比较
综合比较
分类根据对象的共同点和差异点，将对象区分为不同的种类，而且形成有一定从属关系的不同等级的系统的逻辑方法树状分类法
二元分类法
多元分类法
类比根据两类对象之间某些相同或相似，推出它们在其他方面也可能相同或相似的逻辑推理方法共存类比法
因果类比法
对称类比法
综合类比法
归纳从个别到一般的逻辑思维方法完全归纳法
不完全归纳法
科学归纳法
演绎与归纳法相反，从一般到个别的逻辑思维方法
分析把整体分解为部分，或把复杂事物分解为简单要素，或把过程分解为阶段，或把动态凝固为静态来研究的思维方法
综合与分析相反，把各个部分、各个方面、各个层次、各种因素结合起来，动态地考察对象的思维方法
构造科
学理论
体系的
方法假说根据科学原理和事实，对未知的新事实作出的假定性说明
模型通过研究模型来解释原型（被模拟的对象）的形态、特征和本质的方法理想模型
物理模型
数学模型
科学理论是系统化了的科学知识体系，它用概念、判断、推理的形式完整地反映客观对象的本质及其规律
横向科
学方法系统方法按照事物的系统性把对象放在系统的模式中加以考察的方法
信息方法把系统的过程当作信息传递和转换的过程，通过对信息流程的分析和处理，以达到对某个复杂系统运动过程的规律性认识的方法
反馈控制用系统活动的结果来调整系统活动的方法
功能模拟以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的方法
黑箱方法利用外部观测、试验，通过输入、输出信息来研究黑箱功能和特征，探究其构造和机理的方法
2.丁达尔效应和光散射
1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。
光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。
散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质粒子太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。
散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，进行实验时，溶胶浓度不要太小。
3.跨世纪的纳米材料
1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言：“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”
时间仅仅过去了二十几年，到了1982年，费曼的预言便成了现实。国际商用机器公司研制成了扫描隧道显微镜（简称STM），它不仅能使人类观察到了原子，而且能够利用仪器的针尖来操纵原子，德国科学家宾尼（G.Binnig）等利用扫描隧道显微镜在镍板上将硅原子组成了“IBM”（国际商用机器公司的英文缩略语）的字样。不久，日本科学家又将硅原子堆成了一个金字塔。
于是，人类也像大自然一样，成了主宰原子和分子的主人，而不仅仅是被动地去认识和利用大自然造就的原子和分子。这样，到了20和21世纪之交，人类正在悄悄地进入一个崭新的科技时代──纳米科技时代。
纳米科技是在纳米的尺度上研究和应用原子、分子及其结构信息的高新技术，它的最终目标是直接用具有纳米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料，被称为纳米材料（由粒径1～100 nm的粒子组成的固体材料），它是21世纪很有希望和前途的新型材料。
（1）纳米材料的发现
组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。
那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响：晶粒越小，强度就越高。
格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入：如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！
格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验。经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。
格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩：瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。
可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色──黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地”的变化。
为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢？原来，当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（1×10-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%。既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。
“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。
格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。
（2）纳米材料的应用
① 天然纳米材料
海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。
生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
② 纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
③ 纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
④ 纳米传感器
纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。
⑤ 纳米倾斜功能材料
在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。
⑥ 纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
⑦ 纳米催化材料
纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。
镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 ℃降低到室温。
⑧ 医疗上的应用
血液中红血球的大小为6 000～9 000 nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。
⑨ 纳米计算机
世界上第一台电子计算机诞生于1945年，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18 000个电子管，总重量30 t，占地面积约170 m2，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1 s内只能完成5 000次运算。
经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展，使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。
如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。
⑩纳米碳管
1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的，如图2-1。

图 2-1 纳米碳管
这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。
在空气中将纳米碳管加热到700 ℃左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。
4.氧化数
对于离子化合物来说，氧化还原反应中电子是完全失去或完全得到的。但是，对于共价化合物来说，氧化还原反应中有电子的偏移，但没有完全的失去或得到。因此用氧化数来表示就更为合理。例如：
H2+Cl2=2HCl
这个反应的生成物是共价化合物，氢原子的电子没有完全失去，氯原子也没有完全得到电子，只是形成的电子对偏离氢而偏向氯。用氧化数的升降来表示就是氯从0到-1，氢从0到+1。这样，氧化数的升高就是被氧化，氧化数的降低就是被还原。在氧化还原反应里，一种元素氧化数升高的数值总是跟另一种元素氧化数降低的数值相等。以下列出一些氧化剂和还原剂中某些元素的氧化数。

5.氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中的意义
在这里，只能对氧化还原反应在工农业生产、科学技术等方面的作用和意义作一些极简单的介绍。
我们所需要的各种各样的金属，都是通过氧化还原反应从矿石中提炼而得到的。如制造活泼的有色金属要用电解或置换的方法；制造黑色金属和别的有色金属都是在高温条件下用还原的方法；制备贵重金属常用湿法还原，等等。许多重要化工产品的制造，如合成氨、合成盐酸、接触法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食盐水电解制烧碱等等，主要反应也是氧化还原反应。石油化工里的催化去氢、催化加氢、链烃氧化制羧酸、环氧树脂的合成等等也都是氧化还原反应。
在农业生产中，植物的光合作用、呼吸作用是复杂的氧化还原反应。施入土壤的肥料的变化，如铵态氮转化为硝态氨，SO42-转化为H2S等，虽然需要有细菌起作用，但就其实质来说，也是氧化还原反应。土壤里铁或锰的氧化态的变化直接影响着作物的营养，晒田和灌田主要就是为了控制土壤里的氧化还原反应的进行。
我们通常应用的干电池、蓄电池以及在空间技术上应用的高能电池都发生着氧化还原反应，否则就不可能把化学能转变成电能、把电能转变成化学能。

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