小化修复了氧化之塔后,古灵带他来到一座金碧辉煌的宫殿前。宫殿的门匾上写着:“抗氧化圣殿”。古灵说:“这座圣殿由维生素C、维生素E和虾青素共同守护。虾青素的抗氧化能力是维生素C的6000倍,是维生素E的1000倍。但自由基正在侵蚀圣殿,你需要收集三块抗氧之石,帮它恢复光芒。”
小化好奇地问:“什么是抗氧化剂?它们为什么能抗氧化?”古灵解释道:“抗氧化剂能利用自身结构的特性来稳定自由基多余的电子,防止对细胞造成老化。在化学上,抗氧化剂就是还原剂,它们能被氧化,从而保护其他物质不被氧化。”
小化恍然大悟:“原来抗氧化剂就是还原剂!那常见的氧化剂和还原剂有哪些呢?”古灵说:“常见的氧化剂有活泼的非金属单质(如Cl₂、O₂)、高价态化合物(如浓硫酸、KMnO₄、HNO₃、FeCl₃)、过氧化物(如Na₂O₂、H₂O₂);常见的还原剂有活泼的金属单质(如Al、Fe、Zn)、低价态化合物(如CO、SO₂、KI)、某些非金属单质(如C、H₂、S)。”
古灵又说:“这些氧化剂和还原剂在发生氧化还原反应后,会变成什么物质呢?比如Fe³⁺对应的还原产物是Fe²⁺,浓H₂SO₄对应的还原产物是SO₂,H₂O₂对应的还原产物是H₂O,KMnO₄(H⁺)对应的还原产物是Mn²⁺,O₂对应的还原产物是O²⁻,浓HNO₃对应的还原产物是NO₂,稀HNO₃对应的还原产物是NO,Cl₂、ClO⁻对应的还原产物是Cl⁻。”
小化追问:“那常见的还原剂对应的氧化产物呢?”古灵说:“Fe²⁺对应的氧化产物是Fe³⁺,SO₂对应的氧化产物是SO₄²⁻,H₂O₂对应的氧化产物是O₂,H₂C₂O₄对应的氧化产物是CO₂,I⁻对应的氧化产物是I₂,CO、C对应的氧化产物是CO₂,S²⁻、H₂S对应的氧化产物是S,NH₃对应的氧化产物是N₂、NO。”
小化感叹:“原来氧化剂和还原剂的对应产物这么丰富!那第一块抗氧之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了常见的氧化剂与还原剂及其对应产物。”
小化拿着第一块抗氧之石,来到抗氧化圣殿的第二层。古灵说:“这一关,你要判断氧化性与还原性的强弱。氧化性指物质得电子的性质(或能力);还原性指物质失电子的性质(或能力)。注意,物质的氧化性或还原性的强弱取决于物质得、失电子的难易程度,与得失电子数目的多少无关。”
小化疑惑:“那怎么判断呢?”古灵说:“有五种方法。第一,根据氧化还原反应原理来判断:氧化性强弱:氧化剂 > 氧化产物;还原性强弱:还原剂 > 还原产物。第二,根据元素的活动性顺序来判断:金属单质越活泼,其还原性越强;非金属单质越活泼,其氧化性越强。‘单强离弱’——金属单质还原性越强,其阳离子的氧化性越弱;非金属单质的氧化性越强,其阴离子的还原性越弱。”
古灵又说:“第三,根据反应条件的难易来判断。反应的条件越简单,反应就越容易发生,说明物质氧化性(或还原性)越强。比如 2KMnO₄ + 16HCl(浓) = 2KCl + 2MnCl₂ + 8H₂O + 5Cl₂↑,MnO₂ + 4HCl(浓) =Δ= MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂↑,O₂ + 4HCl(浓) =Δ= 2Cl₂ + 2H₂O,氧化性:KMnO₄ > MnO₂ > O₂。”
“第四,根据元素被氧化/还原的程度来判断。某还原剂被不同氧化剂氧化时,元素化合价升得越高,说明氧化剂的氧化性越强。比如 2Fe + 3Cl₂ =点燃= 2FeCl₃,Fe + S =Δ= FeS,Cl₂ > S。第五,根据所处环境(温度、浓度、pH)来判断。同一物质在不同的条件下,其氧化性/还原性会有所不同。比如氧化性:浓硫酸(热)> 浓硫酸(冷);还原性:浓盐酸(热)> 浓盐酸(冷);HNO₃(浓)> HNO₃(稀);KMnO₄(酸性)> KMnO₄(中性)> KMnO₄(碱性)。”
小化感叹:“原来判断氧化性/还原性强弱有这么多方法!那第二块抗氧之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了氧化性、还原性强弱的判断方法。”
小化拿着第二块抗氧之石,来到抗氧化圣殿的第三层。古灵说:“这一关,你要掌握氧化还原反应的四大规律。第一,价态决定性质规律:处于最高价态的元素只有氧化性;处于最低价态的元素只有还原性;处于中间价态的元素既有氧化性又有还原性。一般来说,同种元素价态越高,氧化性越强;价态越低,还原性越强。如氧化性:Fe³⁺ > Fe²⁺ > Fe;还原性:H₂S > S > SO₂。注意特例:HClO₄ < HClO₃ < HClO₂ < HClO。”
“第二,相邻价态转化规律(不交叉规律):同种元素不同价态之间发生氧化还原反应,元素的化合价只向中间靠拢,不出现交叉。即:高价要降低,低价要升高,它们最多变为同一价态,不可能发生交叉现象。比如 H₂S + H₂SO₄(浓) = S↓ + SO₂↑ + 2H₂O,H₂S中S的化合价从-2升高到0,H₂SO₄中S的化合价从+6降低到+4,正确画法是H₂S失去2e⁻,H₂SO₄得到2e⁻,而不是H₂S失去6e⁻。”
“第三,反应先后规律:当一种氧化剂遇到几种还原剂,若均能反应,先跟还原性强的反应;当一种还原剂遇到几种氧化剂,若均能反应,先跟氧化性强的反应。比如在含有Cu(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、AgNO₃的溶液中加入过量锌粉,反应的先后顺序是先和Ag⁺反应,再和Cu²⁺反应,最后和Mg²⁺不反应。”
“第四,得失电子守恒规律:氧化还原反应中,氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数。本质:得失电子总数相同;表征:化合价升降总数相同。这是配平氧化还原方程式的基础。”
小化感叹:“原来氧化还原反应有这么多规律!那第三块抗氧之石应该就在这里。”古灵微笑着点头:“没错,你已经掌握了氧化还原反应的四大规律。”
小化集齐了三块抗氧之石,来到抗氧化圣殿的最顶层。古灵说:“最后一关,综合运用氧化还原反应的知识,解决实际问题。”小化看到面前有几道综合题。
第一题:向100mL溶液中逐渐通入Cl₂,溶液中I⁻、Fe²⁺、I₂、IO₃⁻、Fe³⁺的物质的量随Cl₂的通入量的变化如图所示。下列有关氧化性、还原性强弱的比较正确的是?小化分析:“通入Cl₂,先氧化I⁻,再氧化Fe²⁺。还原性:I⁻ > Fe²⁺。氧化性:Cl₂ > IO₃⁻ > Fe³⁺ > I₂。”
第二题:在含有Cu(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、AgNO₃的溶液中加入过量锌粉,反应的先后顺序是?小化回答:“先和Ag⁺反应,再和Cu²⁺反应,最后和Mg²⁺不反应。因为氧化性:Ag⁺ > Cu²⁺ > Mg²⁺。”
第三题:已知H₂S与浓硫酸反应的方程式如下,请画出双线桥:H₂S + H₂SO₄(浓) = S↓ + SO₂↑ + 2H₂O。小化分析:“H₂S中S的化合价从-2升高到0,失去2e⁻;H₂SO₄中S的化合价从+6降低到+4,得到2e⁻。双线桥表示:H₂S失去2e⁻,H₂SO₄得到2e⁻。”
小化将三块抗氧之石嵌入圣殿的核心,圣殿顿时光芒四射,自由基被清除干净。他感慨道:“氧化还原反应进阶的知识真是博大精深!从常见的氧化剂与还原剂到氧化性强弱的判断,从价态规律到不交叉规律,每一步都需要严谨的分析。”古灵微笑着说:“你已经完全掌握了氧化还原反应进阶的奥秘。”
口诀总结:常见氧化剂还原剂,对应产物要牢记;氧化性强弱五判断,反应原理活动性;条件难易程度比,得失电子数守恒;价态规律最高氧,最低还原中间兼;不交叉规律向中靠,反应先后强者先;得失电子守恒律,配平方程基础石。