高中化学氧化性还原暑假预科精讲｜新年级新课提前学

1氧化还原反应的核心概念认知演讲人氧化还原反应的核心概念认知01氧化性与还原性强弱的常用判断方法02氧化还原反应的表示方法与基础配平03氧化还原的常见应用与典型误区梳理04目录高中化学氧化性还原暑假预科精讲｜新年级新课提前学各位即将进入高一年级学习的同学，我从事高中化学一线教学已经十二年，见过太多新生在开学第一个月就出现化学学习的分化，而分化的核心节点，就是今天我们要讲的氧化还原反应。初中阶段的化学学习以识记性内容为主，对反应的分类偏表层，而氧化还原反应是高中化学第一个需要从本质层面理解的核心知识点，它贯穿了整个高中化学的内容——元素化合物性质分析、电化学、方程式书写、工业流程题都以氧化还原为基础。很多同学开学后因为进度紧，对核心概念理解不透彻，留下知识漏洞，后续补起来要花几倍的力气，因此暑假预科提前完成认知升级，理清核心逻辑，对整个高中化学学习都有至关重要的作用。接下来我们由浅入深，系统梳理氧化还原的所有核心内容。01氧化还原反应的核心概念认知1氧化还原定义的认知升级：从初中到高中1.1初中阶段的氧化还原定义初中阶段我们从得氧失氧的角度对反应进行分类，得到氧的反应是氧化反应，失去氧的反应是还原反应，二者同时发生在同一个反应中。比如我们熟悉的碳还原氧化铜：$\ce{C+2CuO\xlongequal{高温}2Cu+CO_{2}↑}$，这个反应里$\ce{C}$得到氧生成$\ce{CO_{2}}$，发生氧化反应；$\ce{CuO}$失去氧生成$\ce{Cu}$，发生还原反应。我记得我刚当老师的时候，第一次提问新生“这个反应里谁被氧化”，有接近一半的同学会说$\ce{CuO}$被氧化，这个记错的问题本质是初中定义本身比较表层，没有接触本质，所以很容易记混，我们今天从高中层面重新梳理，就能从根本上避免这个问题。1氧化还原定义的认知升级：从初中到高中1.2高中阶段的定义拓展：从特征到本质初中定义的局限性在于，很多氧化还原反应并没有氧参与，比如钠在氯气中燃烧生成氯化钠，这个反应明显是典型的氧化还原，但按照初中定义就无法归类，因此高中阶段对定义进行了两层拓展：1氧化还原定义的认知升级：从初中到高中1.2.1特征层面：化合价升降的反应我们观察所有氧化还原反应会发现，都存在元素化合价的变化：刚才的钠和氯气反应，$\ce{Na}$的化合价从0价升高到+1价，$\ce{Cl}$的化合价从0价降低到-1价；碳还原氧化铜中，$\ce{C}$从0升到+4，$\ce{Cu}$从+2降到0，都符合这个规律。没有化合价变化的反应一定不是氧化还原，因此我们得到高中第一个判断依据：凡是有元素化合价升降的反应都是氧化还原反应，这也是我们做题时最常用的特征判断法。1氧化还原定义的认知升级：从初中到高中1.2.2本质层面：电子转移的反应化合价为什么会发生变化？这就是氧化还原的本质：化合价的变化本质是电子的转移，电子转移包括两种情况：一种是电子得失，比如钠和氯气反应，钠原子失去一个电子给氯原子，因此钠显+1价，氯显-1价；另一种是共用电子对的偏移，比如氢气和氯气反应生成氯化氢，双方共用一对电子，这对电子偏向氯原子，偏离氢原子，因此氢显+1价，氯显-1价，本质也是电子的偏移。因此高中阶段氧化还原的本质定义是：凡是有电子转移（得失或偏移）的反应都是氧化还原反应。2核心概念的系统辨析很多同学刚学氧化还原觉得乱，就是因为几组概念分不清楚，我们逐一梳理，每一组都明确边界：2核心概念的系统辨析2.1氧化反应与还原反应氧化反应是化合价升高、失电子（或电子对偏离）的反应；还原反应是化合价降低、得电子（或电子对偏向）的反应。二者永远对立统一，同时发生在同一个氧化还原反应中，不可能单独存在，不存在只有氧化没有还原的反应。2核心概念的系统辨析2.2氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物这四个概念是考试的核心，我不建议大家一开始就死记硬背口诀，最好跟着逻辑一步步推导：①氧化剂：反应中得到电子（或电子对偏向）的反应物，对应元素化合价降低，本身被还原，反应后生成的产物是还原产物；②还原剂：反应中失去电子（或电子对偏离）的反应物，对应元素化合价升高，本身被氧化，反应后生成的产物是氧化产物。我们拿一个高频例题来拆解：$\ce{3Cu+8HNO_{3}(稀)=3Cu(NO_{3}){2}+2NO↑+4H{2}O}$。第一步找变价：$\ce{Cu}$从0→+2，化合价升高，失电子，因此$\ce{Cu}$是还原剂，被氧化，2核心概念的系统辨析2.2氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物生成的$\ce{Cu(NO_{3}){2}}$就是氧化产物；$\ce{HNO{3}}$中的$\ce{N}$从+5→+2，化合价降低，得电子，因此这里变价的$\ce{HNO_{3}}$是氧化剂，被还原，生成的$\ce{NO}$就是还原产物。这里我要提一个新生最容易错的点：这个反应里8个$\ce{HNO_{3}}$只有2个发生了化合价变化变成$\ce{NO}$，剩下6个还是+5价在$\ce{Cu(NO_{3}){2}}$里，只起到了酸性作用，因此整个反应中$\ce{HNO{3}}$既是氧化剂又是酸，不是全部都是氧化剂，我每年改卷都有至少三分之一的新生在这个地方出错，大家预科阶段一定要注意这个细节。2核心概念的系统辨析2.3氧化性与还原性氧化性是氧化剂本身具有的性质，核心是得电子的能力；还原性是还原剂本身具有的性质，核心是失电子的能力。一定要区分性质和过程：“被氧化”是一个过程，发生氧化反应，体现的是还原性，很多同学刚学会说“某某物质有氧化性，被氧化”，这就是概念混淆，这个点一定要记清楚。3氧化还原反应与四种基本反应类型的关系这是高一第一次月考常考的基础考点，我们梳理：①置换反应：因为一定有单质参与和生成，一定有化合价变化，因此所有置换反应都是氧化还原反应；②复分解反应：只是离子交换，没有化合价变化，因此所有复分解反应都不是氧化还原反应；③化合反应：有单质参与的化合反应是氧化还原，没有单质参与的不一定，比如$\ce{CO_{2}+H_{2}O=H_{2}CO_{3}}$，没有化合价变化，不是氧化还原；④分解反应：有单质生成的分解反应是氧化还原，没有单质生成的不一定，比如$\ce{3氧化还原反应与四种基本反应类型的关系CaCO_{3}}$高温分解，没有化合价变化，不是氧化还原。理清了氧化还原反应的核心定义与基本概念之后，我们进一步学习氧化还原反应的规范表示与基础配平方法，这是我们解决所有氧化还原相关习题的工具基础。02氧化还原反应的表示方法与基础配平1双线桥法：表示电子转移的结果双线桥法是我们分析氧化还原反应最常用的方法，能够清晰展示元素化合价变化和电子转移的结果，书写规则如下：1双线桥法：表示电子转移的结果1.1书写规则①箭头必须从反应物中的变价元素出发，指向生成物中同一元素，不能跨元素；②两条线桥分别对应氧化过程和还原过程，每一条桥上必须标注清楚：得失电子的总数、化合价升降、被氧化还是被还原；③得失电子的总数必须相等，满足守恒关系。我们还是用钠和氯气的反应举例：$\ce{2Na+Cl_{2}=2NaCl}$，第一条线桥从反应物$\ce{Na}$出发，指向生成物$\ce{NaCl}$中的$\ce{Na}$，标注“失$\ce{2×e^-}$，化合价升高，被氧化”；第二条线桥从反应物$\ce{Cl_{2}}$出发，指向生成物$\ce{NaCl}$中的$\ce{Cl}$，标注“得$\ce{2×e^-}$，化合价降低，被还原”。1双线桥法：表示电子转移的结果1.1书写规则这里大家要注意：$\ce{e^-}$前面的系数是发生变价的原子个数，2个$\ce{Na}$原子每个失1个$\ce{e^-}$，所以是$\ce{2×e^-}$，不能直接写$\ce{e^-}$，这个细节我强调很多次，还是有同学写错，大家一定要注意。2单线桥法：表示电子转移的方向单线桥法多用于表示电子转移的方向，比双线桥更简洁，书写规则如下：2单线桥法：表示电子转移的方向2.1书写规则①箭头从还原剂中失电子的元素出发，直接指向氧化剂中得电子的元素，只画一条线桥；②桥上只需要标注转移电子的总个数，不需要标注得失，箭头方向已经体现了电子转移的方向。还是$\ce{2Na+Cl_{2}=2NaCl}$，箭头从反应物$\ce{Na}$指向反应物$\ce{Cl_{2}}$，桥上标注“$\ce{2e^-}$”就完成了，大家要区分：双线桥是反应物到生成物，单线桥是反应物中的还原剂到氧化剂，不要画错位置。3氧化还原反应的基础配平方法配平氧化还原方程式是高中化学必须掌握的核心技能，预科阶段我们先掌握最基础的最小公倍数法，为开学后学习复杂配平打基础：3氧化还原反应的基础配平方法3.1配平的核心原则配平首先要满足三个守恒，顺序是：①得失电子守恒（化合价升降总数相等，这是氧化还原配平的核心）；②电荷守恒（离子反应要满足左右电荷总数相等）；③原子守恒（反应前后各元素原子总数相等）。3氧化还原反应的基础配平方法3.2配平的基本步骤我们用铜和浓硝酸的反应举例，一步步来：第一步：标变价，写出未配平的反应物和生成物，标出变价元素的化合价：$\ce{Cu（0）+HNO_{3}（N+5）→Cu(NO_{3}){2}（Cu+2）+NO{2}（N+4）+H_{2}O}$；第二步：列变化，计算1mol变价原子的化合价升降数：$\ce{Cu}$从0→+2，1mol$\ce{Cu}$升高2价；$\ce{N}$从+5→+4，1mol$\ce{N}$降低1价；第三步：求公倍数，找升降价的最小公倍数，升高2，降低1，最小公倍数是2，因此升高的总数是$2×1$，降低的总数是$1×2$，所以$\ce{Cu}$的系数是1，$\ce{NO_{2}}$的系数是2；3氧化还原反应的基础配平方法3.2配平的基本步骤第四步：配其他，根据原子守恒配平其他物质：$\ce{Cu}$系数是1，所以$\ce{Cu(NO_{3}){2}}$系数是1，$\ce{Cu(NO{3}){2}}$里有2个不变价的$\ce{N}$，加上变价的2个$\ce{N}$，总共$\ce{N}$是4个，所以$\ce{HNO{3}}$系数是4，再根据$\ce{H}$守恒得到$\ce{H_{2}O}$系数是2，最终配平结果：$\ce{Cu+4HNO_{3}(浓)=Cu(NO_{3}){2}+2NO{2}↑+2H_{2}O}$；3氧化还原反应的基础配平方法3.2配平的基本步骤第五步：检查，检查升降价总数相等，各原子总数相等，配平完成。我这里给大家提一个学习习惯：很多同学配平喜欢瞎凑数，简单反应能凑出来，复杂反应就错，预科阶段一定要养成按步骤配平的习惯，基础打好了，后续学歧化、归中反应的配平就很轻松。掌握了氧化还原的表示和配平之后，我们接下来学习这个模块最核心的考点——氧化性与还原性的强弱比较，这是高一考试乃至高考都高频考察的内容，我们预科阶段理清常用的判断逻辑。03氧化性与还原性强弱的常用判断方法1根据氧化还原反应方程式判断（最常用）氧化还原反应的发生规律是“强氧化性制弱氧化性，强还原性制弱还原性”，也就是说，反应物的性质一定强于生成物对应的性质，规律可以总结为：氧化性：氧化剂>氧化产物；还原性：还原剂>还原产物。举例说明：$\ce{Fe+CuSO_{4}=FeSO_{4}+Cu}$，这个反应里，氧化剂是反应物中的$\ce{Cu^2+}$，氧化产物是生成物中的$\ce{Fe^2+}$，因此氧化性$\ce{Cu^2+>Fe^2+}$；还原剂是反应物中的$\ce{Fe}$，还原产物是生成物中的$\ce{Cu}$，因此还原性$\ce{Fe>Cu}$，非常清晰。2根据元素化合价判断2.1价态与性质的关系对某一种元素来说，处于最低价态只有还原性，因为只能失电子升高化合价；处于最高价态只有氧化性，因为只能得电子降低化合价；处于中间价态既有氧化性又有还原性，因为既能失电子也能得电子。这里要澄清一个我见过最多的误区：很多同学说“某物质中某元素是最高价，所以整个物质只有氧化性”，这个说法是错的，性质是对应元素的，不是整个物质，比如$\ce{HCl}$中$\ce{Cl}$是-1最低价，只有还原性，但$\ce{H}$是+1最高价，有氧化性，所以$\ce{HCl}$既有氧化性又有还原性：和$\ce{Zn}$反应时$\ce{H+}$得电子生成$\ce{H_{2}}$，$\ce{HCl}$体现氧化性；和$\ce{MnO_{2}}$共热制$\ce{Cl_{2}}$时$\ce{Cl-}$失电子生成$\ce{Cl_{2}}$，$\ce{HCl}$体现还原性。我每年高一第一次单元考都出这个题，正确率不到40%，今天大家提前理清，就不会错了。2根据元素化合价判断2.2同元素不同价态的氧化性规律一般情况下，同一种元素的价态越高，氧化性越强，比如氧化性：$\ce{KMnO_{4}(Mn+7)>MnO_{2}(Mn+4)>MnCl_{2}(Mn+2)}$，浓$\ce{H_{2}SO_{4}(S+6)>H_{2}SO_{3}(S+4)>H_{2}S(S-2)}$，这个规律也有例外，比如氧化性$\ce{HClO(Cl+1)>HClO_{4}(Cl+7)}$，这个例外我们后续学氯的时候再强调，预科阶段先记住一般规律。3根据反应条件判断在右侧编辑区输入内容氧化相同的还原剂，氧化剂的反应条件越温和，说明氧化剂越容易得电子，氧化性越强。比如制氯气的三个反应：在右侧编辑区输入内容①$\ce{PbO_{2}+4HCl(浓)=PbCl_{2}+Cl_{2}↑+2H_{2}O}$常温反应；在右侧编辑区输入内容②$\ce{2KMnO_{4}+16HCl(浓)=2KCl+2MnCl_{2}+5Cl_{2}↑+8H_{2}O}$常温反应；因此氧化性顺序是$\ce{PbO_{2}>KMnO_{4}>MnO_{2}}$，符合我们观察到的反应条件。③$\ce{MnO_{2}+4HCl(浓)\xlongequal{\Delta}MnCl_{2}+Cl_{2}↑+2H_{2}O}$需要加热；4根据氧化产物的价态判断相同的还原剂，和不同氧化剂反应，还原剂被氧化到的价态越高，说明氧化剂的氧化性越强。比如：$\ce{2Fe+3Cl_{2}\xlongequal{点燃}2FeCl_{3}}$，$\ce{Fe+S\xlongequal{\Delta}FeS}$，相同还原剂$\ce{Fe}$，被$\ce{Cl_{2}}$氧化到+3价，被$\ce{S}$氧化到+2价，因此氧化性$\ce{Cl_{2}>S}$，这个规律非常好用，很多题都用这个考。在掌握了核心知识点后，我们最后梳理氧化还原反应的常见应用，同时把我十几年来见过的新生最容易踩的误区提前整理出来，帮助大家避开陷阱，建立正确的认知。04氧化还原的常见应用与典型误区梳理1氧化还原的常见应用氧化还原和我们的生产生活以及高中化学后续学习都密切相关：4.1.1化工生产领域：金属冶炼就是利用氧化还原，把金属阳离子还原为金属单质，炼铁就是用$\ce{CO}$把$\ce{Fe_{2}O_{3}}$中的$\ce{Fe}$还原出来，所有金属冶炼都基于氧化还原原理；4.1.2化学理论领域：高中后续学习的电化学（原电池、电解池）本质就是自发和非自发的氧化还原反应，所有电化学的分析都建立在氧化还原的基础上；4.1.3日常生活领域：我们的呼吸作用、燃料燃烧、食物腐败、电池放电都是氧化还原反应，和我们的生活息息相关。2典型误区梳理我把十几年来教学中新生最常犯的错误整理出来，大家提前记清楚：2典型误区梳理2.1误区1：有单质参与或生成的反应一定是氧化还原反应不对，同素异形体之间的转化，比如$\ce{3O_{2}\xlongequal{放电}2O_{3}}$，反应前后$\ce{O}$都是0价，没有化合价变化，也没有电子转移，因此不是氧化还原反应；4.2.2误区2：氧化性还原性强弱看得失电子的数目多少，失电子越多还原性越强，得电子越多氧化性越强不对，强弱看得失电子的难易程度，和数目无关，比如$\ce{Na}$失1个电子，$\ce{Al}$失3个电子，但$\ce{Na}$比$\ce{Al}$更容易失电子，因此还原性$\ce{Na>