内容正文:
第2章 元素与物质世界
微专题(四) 氧化还原反应的简单规律及应用
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[学科素养] 微粒的氧化性和还原性决定物质的变化,根据微粒的性质和元素的价态分析氧化还原反应的规律,有助于培养宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想的学科核心素养。
一、价态规律
1.内容
(1)归中反应——同种元素不同价态之间发生氧化还原反应时,高价态+低价态→中间价态,即只靠拢,不交叉,同种元素相邻价态间不反应。如:
①H2S+H2SO4(浓)===S↓+SO2+2H2O
②2H2S+SO2===3S↓+2H2O
(2)歧化反应——某种元素的中间价态在发生氧化还原反应时,元素的价态既有升高又有降低,即中间价态→高价态+低价态。如:Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O
2.应用:判断氧化还原反应能否进行及其反应产物。
1.硝酸工业尾气中含有高浓度的NO和NO2,它们都是大气的重要污染物。已知某厂排放的尾气中NO、NO2的体积比为1∶1,该厂采用NaOH溶液来处理该尾气,处理后所得溶液中只有一种含氮的钠盐。则该含氮的钠盐中,氮元素的化合价为( )
A.-3
B.+1
C.+3
D.+5
解析 NO和NO2体积比1∶1反应,生成一种盐,为归中反应。最终为+3价,生成亚硝酸钠。
答案 C
2.已知在热的碱性溶液中,NaClO发生如下反应:3NaClO===2NaCl+NaClO3。在相同条件下NaClO2也能发生类似的反应,其最终产物是( )
A.NaCl、NaClO
B.NaCl、NaClO3
C.NaClO、NaClO3
D.NaClO3、NaClO4
解析 在热的碱性溶液中,NaClO发生歧化反应:3NaClO===2NaCl+NaClO3。Cl的化合价由+1价变为+5价和-1价。NaClO2也能发生类似的反应,则氯元素的化合价应既有升高,也有降低,选项A中化合价均降低,选项D中化合价均升高;选项B、C与题意相符,根据已知反应可知,选项C中NaClO不是最终产物,故B项正确。
答案 B
3.(NH4)2Cr2O7是一种受热易分解的盐,下列各组对(NH4)2Cr2O7受热分解产物的判断可能正确的是( )
A.CrO3+NH3+H2
B.Cr2O3+NH3+H2O
C.CrO3+N2+H2O
D.Cr2O3+N2+H2O
解析 氧化还原反应中一定存在元素化合价的升降,若产物为CrO3+NH3+H2,只有氢元素化合价降低;若产物为Cr2O3+NH3+H2O,只有Cr元素化合价降低;若产物为CrO3+N2+H2O,只有N元素化合价升高,故A、B、C均错误;若产物为Cr2O3+N2+H2O,Cr元素化合价降低,N元素化合价升高,D正确。
答案 D
4.已知G、Q、X、Y、Z均为含氯元素的化合物,在一定条件下有下列转化关系(未配平):
①G→Q+NaCl ②Q+H2Oeq \o(――→,\s\up17(通电))X+H2 ③Y+NaOH→G+Q+H2O ④Z+NaOH→Q+X+H2O
这五种化合物中氯元素化合价由低到高的顺序是( )
A.G、Y、Q、Z、X
B.X、Z、Q、G、Y
C.X、Z、Q、Y、G
D.G、Q、Y、Z、X
解析 由①得出Q中氯元素价态高于G,因为G必介于Q和-1价的Cl之间,-1价为氯元素的最低价;将该结论应用到③,Y介于Q与G之间,故有Q价态高于Y,Y价态高于G;分析②:H2O中的氢元素化合价降低,则Q中的氯元素转变为X中的氯元素,化合价必升高,则得出X价态高于Q;最后分析④:Z介于Q与X之间,则X价态高于Z,Z价态高于Q。
答案 A
二、强弱规律
1.内容
氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。
2.应用:根据氧化还原反应方程式判断物质氧化性和还原性的强弱。
1.已知如下反应:①2BrOeq \o\al(-,3)+Cl2===Br2+2ClOeq \o\al(-,3),②ClOeq \o\al(-,3)+5Cl-+6H+===3Cl2+3H2O,③2FeCl3+2KI===2FeCl2+2KCl+I2,④2FeCl2+Cl2===2FeCl3。下列各微粒氧化能力由强到弱的顺序正确的是( )
A.ClOeq \o\al(-,3)>BrOeq \o\al(-,3)>Cl2>Fe3+>I2
B.BrOeq \o\al(-,3)>Cl2>ClOeq \o\al(-,3)>I2>Fe3+
C.BrOeq \o\al(-,3)>ClOeq \o\al(-,3)>Cl2>Fe3+>I2
D.BrOeq \o\al(-,3)>ClOeq \o\al(-,3)>Fe3+>Cl2>I2
解析 反应①中氧化剂是BrOeq \o\al(-,3)、氧化产物是ClOeq \o\al(-,3),则氧化性:BrOeq \o\al(-,3)>ClOeq \o\al(-,3);同理,由反应②知,氧化性:ClOeq \o\al(-,3)>Cl2;由反应③知,氧化性:Fe3+>I2,由反应④知,氧化性:Cl2>Fe3+;综上可知,氧化性强弱:BrOeq \o\al(-,3)>ClOeq \o\al(-,3)>Cl2>Fe3+>I2。
答案 C
2.在酸性环境中几种离子之间会发生如下转化,下列说法错误的是( )
A.离子的氧化性由强到弱的顺序是Ce4+>Mn3+>Fe3+>I2
B.反应②中Fe3+做氧化剂
C.反应Ce4++Fe2+===Ce3++Fe3+ 可能会发生
D.溶液中Mn3+与I-不能大量共存
解析 如图可知酸性条件下,发生如下3个反应:①Ce4++Mn2+===Ce3++Mn3+,其中Ce4+为氧化剂,Ce3+为还原产物,Mn2+为还原剂,Mn3+为氧化产物;②Mn3++Fe2+===Mn2++Fe3+,其中Mn3+为氧化剂,Mn2+为还原产物,Fe2+为还原剂,Fe3+为氧化产物;③2Fe3++2I-===2Fe2++I2,其中Fe3+为氧化剂,Fe2+为还原产物,I-为还原剂,I2为氧化产物。
在氧化还原反应中,氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性,故由①②③反应可知,离子氧化性Ce4+>Mn3+>Fe3+>I2,A正确;反应②中Fe3+为氧化产物,B错误;由分析可知离子氧化性Ce4+>Fe3+,故可能发生该反应,C正确;由分析可知离子氧化性Mn3+>I2,Mn3+可将I-氧化成I2,故不能共存,D正确。
答案 B
3.已知还原性:Cl-<Fe2+<H2O2<I-<SO2,判断下列反应不能发生的是( )
A.2Fe3++SO2+2H2O===SOeq \o\al(2-,4)+4H++2Fe2+
B.I2+SO2+2H2O===H2SO4+2HI
C.H2O2+2H++SOeq \o\al(2-,4)===SO2+O2+2H2O
D.2Fe3++2I-===2Fe2++I2
解析 A项,反应中还原剂为SO2,还原产物为Fe2+,还原性:SO2>Fe2+,反应可以发生;B项,反应中还原剂为SO2,还原产物为I-,还原性:SO2>I-,反应可以发生;C项,反应中还原剂为H2O2,还原产物为SO2,还原性:H2O2>SO2,与题目给出的顺序不符,反应不能发生;D项,反应中还原剂为I-,还原产物为Fe2+,还原性:I->Fe2+,反应可以发生。
答案 C
三、先后规律
1.内容
(1)同一种氧化剂与多种还原剂反应时,还原性强的先被氧化。如:
往含有Fe(NO3)3、Cu(NO3)2和HNO3的某溶液中,加入铁粉
氧化性:HNO3>Fe3+>Cu2+
则发生反应的先后顺序为:
①Fe+4HNO3===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O
②Fe+2Fe3+===3Fe2+
③Fe+Cu2+===Cu+Fe2+
(2)同一种还原剂与多种氧化剂反应时,氧化性强的先被还原。如:
FeBr2溶液中通入Cl2反应,还原性:Fe2+>Br-发生反应的先后顺序为:
①2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-
②2Br-+Cl2===Br2+2Cl-
2.应用:判断不同物质间发生氧化还原反应的先后顺序。
1.在含有Cu(NO3)2、Mg(NO3)2、AgNO3的溶液中加入适量锌粉,首先置换出的是( )
A.Mg
B.Cu
C.Ag
D.H2
解析 由金属活动性顺序可知,Cu2+、Mg2+、Ag+、H+的氧化性由强到弱的顺序为Ag+>Cu2+>H+>Mg2+,故混合液加入锌粉时首先置换出Ag。
答案 C
2.已知反应2Fe2++Br2===2Fe3++2Br-。向10 mL 0.1 mol·L-1的FeBr2溶液中通入0.001 mol Cl2,反应后的溶液中,除含有Cl-外还一定( )
A.含Fe2+,不含Fe3+
B.含Fe3+,不含Br-
C.含Fe3+、Br-
D.含Fe2+、Fe3+
解析 Fe2+的还原性强于Br-的还原性,通入Cl2,Fe2+优先被氧化,0.001 mol Cl2转移电子0.002 mol,Fe2+全部被氧化时转移电子0.001 mol,根据得失电子守恒,还有0.001 mol Br-被氧化,还剩余0.001 mol Br-。
答案 C
3.还原性:I->Fe2+>Br-。向含有I-、Fe2+、Br-溶液中通入一定量氯气后,所得溶液离子成分分析正确的是( )
A.I-、Fe3+、Cl-
B.Fe2+、Cl-、Br-
C.Fe2+、Fe3+、Cl-
D.Fe2+、I-、Cl-
解析 还原性:I->Fe2+>Br-,向含有I-、Fe2+、Br-的溶液中通入氯气后,碘离子先被氧化,其次是亚铁离子,最后是溴离子;当溶液中含有碘离子,就不会出现铁离子,A错误;通入氯气后,碘离子先被氧化,其次是亚铁离子,当亚铁离子存在时,溴离子一定不会参与反应,氯气作氧化剂,对应产物是氯离子,B正确;当溶液中存在亚铁离子时,一定会存在溴离子,C、D错误。
答案 B
4.(双选)已知:2Fe2++Br2===2Fe3++2Br-,2Fe3++2I-===2Fe2++I2。向FeI2、FeBr2的混合溶液中通入适量氯气,溶液中某些离子的物质的量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.氧化性:I->Fe2+>Br-
B.原混合溶液中FeBr2的物质的量为3 mol
C.原溶液中n(Fe2+)∶n(I-)∶n(Br-)=2∶1∶3
D.当通入1 mol Cl2时,溶液中发生的反应为2Br-+Cl2===Br2+2Cl-
解析 由2Fe2++Br2===2Fe3++2Br-可知,还原性:Fe2+>Br-,由2Fe3++2I-===2Fe2++I2可知,还原性:I->Fe2+,所以还原性:I->Fe2+>Br-,A项错误;通入氯气后,碘离子先被氧化,其次是亚铁离子,最后是溴离子,通入氯气的量为0~1 mol的过程中,碘离子从最大量降到0,则可得到碘离子的物质的量为2 mol,通入氯气的物质的量为1~3 mol的过程中,亚铁离子从4 mol得降到0,三价铁的量逐渐增大,所以含有亚铁离子共4 mol,通入氯气的物质的量为3~6 mol的过程中溴离子从6 mol降到0,所以溴离子的物质的量是6 mol,即FeBr2的物质的量为3 mol,B项正确;由B可知,碘离子的物质的量为2 mol,亚铁离子是4 mol,溴离子的物质的量是6 mol,n(Fe2+)∶n(I-)∶n(Br-)=2∶1∶3,C项正确;当通入1 mol Cl2时,2 mol的I-消耗氯气1 mol,即溶液中发生的离子反应可表示为2I-+Cl2===I2+2Cl-,D项错误。
答案 BC
四、守恒规律
1.内容:对于氧化还原反应中还原剂和氧化剂,失电子总数=得电子总数,化合价升高总数=化合价降低总数。
2.应用:氧化还原反应方程式的配平与计算。
(1)氧化还原反应方程式的配平
①配平依据——电子守恒、质量守恒、电荷守恒。
②配平步骤
(2)氧化还原反应的计算
①计算依据:氧化剂得到电子总数等于还原剂失去电子总数
②解题步骤
ⅰ.“一找物质”:找出氧化剂、还原剂及相应的还原产物和氧化产物。
ⅱ.“二定得失”:确定一个原子或离子得失电子数(注意化学式中的原子个数)。
ⅲ.“三列关系”:n(氧化剂)×变价原子个数×化合价变化值=n(还原剂)×变价原子个数×化合价变化值
1.利用CH3OH可将废水中的NOeq \o\al(-,3)转化为对环境无害的物质后排放。反应原理为:H++CH3OH+NOeq \o\al(-,3), X+CO2+H2O(未配平)。下列说法错误的是( )
A.X表示N2
B.可用O3替换CH3OH
C.氧化剂与还原剂的物质的量之比为6∶5
D.生成1 mol X时转移10 mol电子
解析 根据题意可知,NOeq \o\al(-,3)转化为对环境无害的物质后排放,说明X为无害气体,而反应中C元素的化合价升高,则N元素的化合价降低,因此可推知X为氮气,根据守恒规律配平可得:6H++5CH3OH+6NOeq \o\al(-,3)===3N2+5CO2+13H2O。
根据分析可知,X为N2,故A正确;反应中,C元素的化合价升高,因此还原剂为CH3OH,N元素的化合价降低,因此氧化剂为NOeq \o\al(-,3),而O3具有强氧化性,不可用O3替换CH3OH,故B错误;根据分析可知,反应为:6H++5CH3OH+6NOeq \o\al(-,3)===3N2+5CO2+13H2O,氧化剂为NOeq \o\al(-,3),还原剂为CH3OH,物质的量之比为6∶5,故C正确;氮元素化合价从+5价降低到0价,因此有6NOeq \o\al(-,3)~3N2~30e-,即每生成1 mol N2,转移10 mol电子,故D正确。
答案 B
2.某强氧化剂XO(OH)eq \o\al(+,2)被Na2SO3还原。如果还原2.4×10-3 mol XO(OH)eq \o\al(+,2),需用30 mL 0.2 mol·L-1的Na2SO3溶液,那么X元素被还原后的价态是( )
A.+2
B.+1
C.0
D.-1
解析 XO(OH)eq \o\al(+,2)中X的化合价是+5,Na2SO3中S的化合价从+4升高到+6,设X元素被还原后的化合价为a,根据氧化还原反应中化合价升降相等,可知2.4×10-3×(5-a)=0.2×0.03×(6-4),解得a=0。
答案 C
3.Na2Sx在碱性溶液中可被NaClO氧化为Na2SO4,而NaClO被还原为NaCl,若反应中Na2Sx与NaClO的物质的量之比为1∶16,则x的值为( )
A.2
B.3
C.4
D.5
解析 ,得关系式1×·x=16×2,x=5。故D项正确。
答案 D
4.FeS与一定浓度的HNO3反应,生成Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3、NO2、N2O4、NO和H2O,当NO2、N2O4、NO的物质的量之比为1∶1∶1时,参加反应的FeS与HNO3的物质的量之比为( )
A.1∶6
B.1∶7
C.2∶11
D.16∶25
解析 设参加反应的FeS的物质的量为a mol,被还原的HNO3的物质的量为b mol,根据得失电子守恒有:a×(1+8)=eq \f(b,4)×1+eq \f(b,4)×2+eq \f(b,4)×3,b=6a,又因为起酸性作用的HNO3的物质的量为3n[Fe(NO3)3]=3×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a-\f(a,3)×2)) mol=a mol,故实际参加反应的FeS与HNO3的物质的量之比为a∶(a+b)=1∶7。
答案 B
5.配平下列氧化还原反应方程式。
(1)正向配平类
①____HCl(浓)+____MnO2eq \o(=====,\s\up17(△))____Cl2↑+____MnCl2+____H2O
②____KI+____KIO3+____H2SO4===____I2+____K2SO4+____H2O
③____MnOeq \o\al(-,)4+____H++____Cl-===____Mn2++____Cl2↑+____H2O
(2)逆向配平类
①____S+____KOHeq \o(=====,\s\up17(△))____K2S+____K2SO3+____H2O
②____P4+____KOH+____H2O===____K3PO4+____PH3
③____Cl2+____Ca(OH)2===____CaCl2+____Ca(ClO)2+____H2O
(3)缺项配平类
①____ClO-+____Fe(OH)3+________===____Cl-+____FeOeq \o\al(2-,)4+____H2O
②____MnOeq \o\al(-,4)+____H2O2+________===____Mn2++____O2↑+____H2O
答案 (1)①4 1 1 1 2 ②5 1 3 3 3 3 ③2 16 10 2 5 8 (2)①3 6 2 1 3 ②2 9 3 3 5 ③2 2 1 1 2 (3)①3 2 4OH- 3 2 5 ②2 5 6H+ 2 5 8
6.(1)某高温还原法制备新型陶瓷氮化铝(AlN)的反应体系中的物质有:Al2O3、C、N2、AlN、CO。请写出该反应的化学方程式并配平:_________________
____________________________________________________________________。
(2)某离子反应中共有H2O、ClO-、NHeq \o\al(+,4)、H+、N2、Cl-六种微粒。其中c(ClO-)随反应进行逐渐减小。请写出该反应的离子方程式并配平:_________________
___________________________________________________________________。
答案 (1)Al2O3+3C+N2===2AlN+3CO
(2)3ClO-+2NHeq \o\al(+,4)===N2↑+3H2O+3Cl-+2H+
7.在酸性条件下,24 mL 0.05 mol·L-1的Na2SO3溶液,恰好与20 mL 0.02 mol·L的K2Cr2O7溶液完全反应(已知S、Cr的最高价为+6价)。则:
(1)Cr在还原产物中的化合价是____________。
(2)写出并配平反应的离子方程式:__________________________________
___________________________________________________________________。
解析 (1)24 mL 0.05 mol·L-1的Na2SO3溶液失去电子的物质的量为0.024 L×0.05 mol·L-1×2=0.002 4 mol,K2Cr2O7溶液中铬原子的物质的量为0.02 L×0.02 mol·L-1×2=0.000 8 mol,根据得失电子守恒,可知每个铬原子得到的电子数为:(0.002 4 mol/0.000 8 mol)=3,即铬元素的化合价降低3价,则Cr在还原产物中的化合价是+3价。
(2)根据原子守恒、电子转移守恒和电荷守恒,可写出其反应的离子方程式为3SOeq \o\al(2-,3)+Cr2Oeq \o\al(2-,7)+8H+===3SOeq \o\al(2-,4)+2Cr3++4H2O。
答案 (1)+3价 (2)3SOeq \o\al(2-,3)+Cr2Oeq \o\al(2-,7)+8H+===3SOeq \o\al(2-,4)+2Cr3++4H2O
1.氧化还原方程式配平的基本技能
(1)全变从左边配:氧化剂、还原剂是两种物质,且某元素化合价全变的,一般从左边反应物开始配平。
(2)自变从右边配:氧化剂、还原剂是一种物质,自身发生氧化还原反应(包括分解、歧化)一般从右边开始配平。
(3)缺项配平法:先按得失电子守恒配平氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物,再利用原子守恒和电荷守恒配平缺项物质。若反应物这边缺正电荷,一般加H+,生成物一边加水;若反应物这边缺负电荷,一般加OH-,生成物一边加水,然后进行两边电荷数配平。
2.多步连续氧化还原反应的计算技能
对于多步连续进行的氧化还原反应,只要中间各步反应过程中电子没有损耗,可直接找出起始物和最终产物,删去中间产物,建立二者之间的电子守恒关系,快速求解。
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