第三节 氧化还原反应

本节学习目标

学完本节后，应能：

1. 从得氧失氧、化合价升降和电子转移三个层次认识氧化还原反应。
2. 依据反应前后元素化合价是否变化，判断氧化还原反应。
3. 用电子转移解释氧化反应与还原反应为什么同时发生。
4. 根据价态变化判断氧化剂、还原剂、被氧化和被还原的物质。
5. 判断物质转化需要氧化剂还是还原剂，分析同一物质在不同反应中的作用。
6. 从氧化还原角度解释金属冶炼、腐蚀、燃烧、尾气处理等生产生活现象。

核心知识点讲解

一、知识对象与物质情境

本节研究“反应中电子怎样转移”。学习主线是：先用化合价变化识别氧化还原反应，再用电子转移解释变化本质，最后把价态升降与氧化剂、还原剂及实际应用联系起来。燃烧、金属冶炼、钢铁锈蚀、食物腐败、光合作用、燃料电池和汽车尾气处理等都能用这条主线分析。

二、核心概念与物质分类

1. 氧化还原反应

有元素化合价发生变化的反应叫氧化还原反应。初中把得氧叫氧化、失氧叫还原；高中要扩大为“化合价升降”和“电子转移”。

2. 氧化反应与还原反应

• 元素化合价升高，物质发生氧化反应，被氧化。
• 元素化合价降低，物质发生还原反应，被还原。
• 氧化和还原必然同时发生，因为一个物质失去电子或电子对偏离，必须有另一个物质得到电子或电子对偏向。

3. 氧化剂和还原剂

• 氧化剂：得到电子或电子对偏向的物质，所含元素化合价降低，本身被还原，具有氧化性。
• 还原剂：失去电子或电子对偏离的物质，所含元素化合价升高，本身被氧化，具有还原性。

常见氧化剂：$O_2$、$C{l}_2$、浓硫酸、$HN{O}_3$、$KMn{O}_4$、$FeC{l}_3$等。

常见还原剂：活泼金属单质如$Al$、$Zn$、$Fe$，以及$C$、$H_2$、$CO$、$KI$等。

三、关键规律、反应原理与方程式

1. 从得氧失氧到化合价升降

例1：

$$2CuO+C\stackrel{高温}{\to }2Cu+C{O}_2\uparrow$$

$C$得到氧生成$C{O}_2$，发生氧化反应，碳元素化合价由0升高到+4；$CuO$失去氧生成$Cu$，发生还原反应，铜元素由+2降低到0。

例2：

$$F{e}_2{O}_3+3CO\stackrel{高温}{\to }2Fe+3C{O}_2$$

$CO$发生氧化反应，$C$由+2升高到+4；$F{e}_2{O}_3$发生还原反应，$Fe$由+3降低到0。

2. 没有得氧失氧，也可能是氧化还原反应

$$Fe+CuS{O}_4=FeS{O}_4+Cu$$

$Fe$由0价升高到+2价，被氧化；$Cu$由+2价降低到0价，被还原。虽然没有得氧失氧，但有化合价变化，所以是氧化还原反应。

3. 氧化还原反应本质：电子转移

$Na$与$C{l}_2$反应：

$$2Na+C{l}_2=2NaCl$$

$Na$失去电子形成$N{a}^{+}$，化合价从0升高到+1，被氧化，是还原剂；$C{l}_2$得到电子形成$C{l}^{-}$，化合价从0降低到-1，被还原，是氧化剂。这类反应发生电子得失。

$H_2$与$C{l}_2$反应：

$$H_2+C{l}_2\stackrel{点燃}{\to }2HCl$$

$H$和$Cl$形成共用电子对，但共用电子对偏向$Cl$、偏离$H$，氢元素化合价升高，氯元素化合价降低。这类反应发生共用电子对偏移。

4. 氧化剂、还原剂关系

例：

$$CuO+H_2\stackrel{\Delta }{\to }Cu+H_{2}O$$

$CuO$中$Cu$由+2价降为0价，$CuO$是氧化剂，被还原；$H_2$中$H$由0价升为+1价，$H_2$是还原剂，被氧化。

5. 四种基本反应类型与氧化还原反应

• 置换反应一定是氧化还原反应，因为单质与化合物互换时必有元素化合价变化。
• 复分解反应一定不是氧化还原反应，因为只是离子互换，元素化合价不变。
• 化合反应可能是，如$2Na+C{l}_2=2NaCl$是；$CaO+H_{2}O=Ca(OH{)}_2$不是。
• 分解反应可能是，如$2KCl{O}_3$分解制$O_2$是；$CaC{O}_3$分解不是。

6. 汽车尾气催化转化

$CO$和$NO$在催化剂作用下生成$C{O}_2$和$N_2$：

$$2CO+2NO\stackrel{催化剂}{\to }2C{O}_2+N_2$$

$C$由+2升高到+4，$CO$是还原剂；$N$由+2降低到0，$NO$是氧化剂。该反应能把有毒$CO$和$NO$转化为相对无害的$C{O}_2$和$N_2$，减少尾气污染。

四、典型转化模型与分析方法

1. 氧化还原判断模型

标化合价 -> 找变化 -> 判类型。只要有元素化合价变化，就是氧化还原反应；没有变化就不是。

2. 氧化剂/还原剂判断模型

升失氧还，降得还氧。

含义展开：

• 化合价升高，失去电子或电子对偏离，发生氧化反应，是还原剂。
• 化合价降低，得到电子或电子对偏向，发生还原反应，是氧化剂。

3. 需要加入氧化剂还是还原剂

目标元素化合价要升高，说明该物质要被氧化，需要加入氧化剂。目标元素化合价要降低，说明该物质要被还原，需要加入还原剂。

例：$F{e}^{2+}$ -> $F{e}^{3+}$化合价升高，需要氧化剂；$CuO$ -> $Cu$化合价降低，需要还原剂。

4. 多元素变化分析模型

复杂方程式中先找所有元素化合价，再抓真正变化的元素。没有变化的元素不参与氧化还原判断。若同一物质中某元素既升又降，可能发生歧化或自身氧化还原反应。

五、实验现象、装置与证据

1. 得氧失氧与化合价变化的证据

$CuO$与$C$、$F{e}_2{O}_3$与$CO$两个反应说明：得氧和失氧同时出现，氧化反应和还原反应不能孤立发生；化合价升降能统一解释得氧失氧。

2. $NaCl$形成示意图

Na原子最外层1个电子，易失去形成$N{a}^{+}$；Cl原子最外层7个电子，易得到电子形成$C{l}^{-}$。该图承载的核心知识点是“电子得失导致化合价变化”。

3. $HCl$形成过程

H和Cl没有完全得失电子，而是形成共用电子对；由于Cl吸引电子能力较强，电子对偏向Cl，导致H显+1价、Cl显-1价。该过程说明电子转移不只包括得失，也包括偏移。

4. 科学史话

氧化还原概念经历了“得氧失氧 -> 化合价升降 -> 电子转移”的发展过程。启示是：化学概念会随着证据和理论的发展而完善，学习时要注意概念的适用范围。

5. 生活生产证据

金属冶炼、电镀、燃料燃烧、光合作用、自燃、食物腐败、钢铁锈蚀都是氧化还原反应。它们有正面价值，也可能带来损失；掌握规律后可以趋利避害，如防锈、尾气净化、污水处理。

六、题型应用与迁移

• 判断氧化还原反应：标化合价，看是否变化。
• 判断氧化剂和还原剂：化合价降的是氧化剂，升的是还原剂。
• 判断$HCl$、$H_2{O}_2$等在不同反应中的作用：同一物质在不同反应中可能作氧化剂、还原剂，甚至既作氧化剂又作还原剂。
• 根据目标价态变化判断需加入氧化剂还是还原剂。
• 分析实际情境，如铝热反应、黑火药、火法炼锌、重铬酸根废水处理、高铁酸钠制备。

重点梳理

重点	为什么重要	什么时候用	怎么用
化合价变化	它是氧化还原反应的判断特征	判断反应类型、分析材料方程式	标出反应前后价态，只要有元素化合价变化就属于氧化还原反应
电子转移	它揭示化合价变化的本质	解释离子化合物和共价化合物形成	电子得失或共用电子对偏移都会导致价态变化；电子得失总数必须相等
升降与剂类	它是判断氧化剂、还原剂的核心	方程式分析、物质作用判断	升价→失电子→被氧化→还原剂；降价→得电子→被还原→氧化剂
氧化与还原同时发生	它解释为什么一个反应中必有成对变化	查找遗漏的变价元素、检查结论	找到升价元素后必须寻找对应的降价元素，并检查电子转移守恒
目标价态转化	它能直接判断所需试剂类型	物质制备和价态转化题	目标价态升高需要氧化剂，目标价态降低需要还原剂
基本反应类型关系	它常用于综合判断题	化合、分解、置换、复分解与氧化还原交叉判断	置换一定是、复分解一定不是；化合和分解要具体标价判断
实际应用	它把价态分析迁移到生产生活	冶炼、防腐、燃烧、尾气和污水处理	先写或补全方程式，再标价、定剂类，最后说明作用或环境意义

难点突破

1. “氧化剂被还原”为什么听起来相反？

氧化剂的作用是氧化别人，即让别人失电子、化合价升高；它自己得到电子，所以自己被还原。还原剂同理：还原别人，自己被氧化。

2. 没有氧元素的反应怎么判断？

看化合价。例如$Fe$ + $CuS{O}_4$ = $FeS{O}_4$ + $Cu$没有得氧失氧，但$Fe$升价、$Cu$降价，是氧化还原反应。

3. 如何判断$HCl$作氧化剂还是还原剂？

看$HCl$中哪种元素变价。若$H^{+}$变为$H_2$，氢元素从+1降到0，$HCl$作氧化剂；若$C{l}^{-}$变为$C{l}_2$，氯元素从-1升到0，$HCl$作还原剂；若化合价都不变，如中和反应，则$HCl$既不是氧化剂也不是还原剂。

4. $H_2{O}_2$为什么既能作氧化剂又能作还原剂？

$H_2{O}_2$中氧元素为-1价，处于中间价态。它可降到-2价，如生成$H_{2}O$时作氧化剂；也可升到0价，如生成$O_2$时作还原剂；分解时一部分氧降价、一部分氧升价，既作氧化剂又作还原剂。

例题讲解

例题

分析反应：

$$3Cl{O}^{-}+2F{e}^{3+}+10O{H}^{-}=2Fe{O}_4^{2-}+3C{l}^{-}+5H_{2}O$$

指出元素化合价变化、氧化剂和还原剂。

分析

先标变化元素。$Cl{O}^{-}$中O为-2价，整体为-1价，所以Cl为+1价；$C{l}^{-}$中Cl为-1价，氯元素化合价降低。$F{e}^{3+}$中$Fe$为+3价；$Fe{O}_4^{2-}$中O为-2价，4个O共-8价，整体为-2价，所以$Fe$为+6价，铁元素化合价升高。

答案

Cl：+1 -> -1，化合价降低，$Cl{O}^{-}$得到电子，是氧化剂，本身被还原。

$Fe$：+3 -> +6，化合价升高，$F{e}^{3+}$失去电子，是还原剂，本身被氧化。

反思

复杂离子方程式不要被$O{H}^{-}$、$H_{2}O$等干扰。先用化合价规则找到变价元素，再根据升降判断氧化剂和还原剂。

易错点整理

常见错误表现	错因分析	反例或警示	正确处理步骤
看到没有氧元素就判为非氧化还原反应	仍停留在得氧失氧标准	$Fe+CuS{O}_4=FeS{O}_4+Cu$没有氧的得失但有价态变化	一律标化合价，以反应前后是否变价为准
把“被氧化”写成“氧化剂”	混淆作用对象和自身变化	还原剂使别人被还原，但自身被氧化	按“升失氧还、降得还氧”完整写出四联关系
从生成物中寻找氧化剂和还原剂	忽略剂类描述的是反应物作用	$CuO+H_2$中氧化剂是反应物$CuO$，不是产物$Cu$	先限定在反应物，再根据其中元素价态升降判断
忘记单质为0价	化合价规则不熟	$C{l}_2$、$H_2$、$Fe$中元素均为0价	标价时先圈出所有单质并写0，再处理化合物
复杂离子中心元素价态算错	没利用各元素化合价代数和等于离子电荷	$Fe{O}_4^{2-}$中$Fe+4\times (-2)=-2$，所以$Fe$为+6价	列代数式求中心元素价态，再与反应前比较
认为化合或分解反应必然是氧化还原反应	把基本反应形式当成本质	$CaO+H_{2}O$和$CaC{O}_3$分解均无变价	化合、分解反应必须逐个标价；只有置换和复分解可直接作一般判断
机械记忆$HCl$或$H_2{O}_2$固定作用	忽略物质中元素可处于不同转化方向	$H_2{O}_2$中氧为-1价，既可升到0价也可降到-2价	每个具体反应重新标价，不脱离方程式判断剂类

考点考证点整理

考点一：氧化还原反应判断

• 出题思路：给出若干反应，要求判断是否属于氧化还原反应。
• 关键条件：反应前后是否有元素化合价变化。
• 解答要点：先标变价元素，再写“有化合价变化，所以是氧化还原反应”或“无化合价变化，所以不是”。
• 易扣分点：只看是否有氧元素；把所有化合反应、分解反应都判断为氧化还原反应。

考点二：氧化剂、还原剂判断

• 出题思路：给出方程式，要求指出氧化剂、还原剂、被氧化和被还原的物质。
• 关键条件：氧化剂是反应物中化合价降低的物质；还原剂是反应物中化合价升高的物质。
• 解答要点：写清变价元素、价态变化、物质作用，如“$Fe$由0升到+2，作还原剂，被氧化”。
• 易扣分点：把生成物写成氧化剂/还原剂；把“氧化剂被还原、还原剂被氧化”说反。

考点三：需要加入氧化剂还是还原剂

• 出题思路：给出离子或物质转化，如$F{e}^{2+}\to F{e}^{3+}$，判断需要氧化剂还是还原剂。
• 关键条件：目标元素价态升高说明被氧化，需要氧化剂；价态降低说明被还原，需要还原剂。
• 解答要点：先标目标元素价态变化，再写需要加入的试剂类型。
• 易扣分点：不看价态，只凭“加氧/去氧”判断。

考点四：同一物质在不同反应中的作用

• 出题思路：考查$HCl$、$H_2{O}_2$、$H_{2}O$等在不同反应中作氧化剂、还原剂或二者兼有。
• 关键条件：同一物质中参与变价的元素不同，作用就可能不同。
• 解答要点：逐个反应标价，说明哪种元素升降；$H_2{O}_2$中$O$为-1价，既可升到0价，也可降到-2价。
• 易扣分点：机械记忆某物质固定作氧化剂或还原剂，不结合具体反应。

考点五：材料情境中的氧化还原分析

• 出题思路：以铝热反应、黑火药、废水处理、高铁酸钠、火法炼锌、汽车尾气处理等材料设问。
• 关键条件：材料信息通常给出方程式、用途或部分产物，必须抓变价元素。
• 解答要点：补全方程式后标价，指出氧化剂/还原剂，并联系材料说明用途或环保意义。
• 易扣分点：读材料只提取用途，不做价态分析；复杂离子中中心元素价态计算错误。

练习题

基础训练

1. 分别写出用$H_2{O}_2$、$KCl{O}_3$、$KMn{O}_4$制取$O_2$的化学方程式并注明条件，说明这三个反应在基本反应类型和氧化还原反应分类上的共同点。
2. 高温时，水蒸气与灼热的炭反应：$H_{2}O+C\stackrel{\text{高温}}{\to }{H}_2+CO$。标出变价元素，判断$H_{2}O$和$C$分别作氧化剂还是还原剂。
3. 铝热反应可用于焊接钢轨。写出$Al$与$F{e}_2{O}_3$高温反应的方程式，指出还原剂、氧化剂和被还原的物质。
4. 判断金属冶炼、钢铁锈蚀、食物腐败、钟乳石形成哪些涉及氧化还原反应，并说明判断依据。
5. 说明化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应与氧化还原反应的关系，并各举一个能说明“可能是”的例子。

巩固训练

6. 判断下列反应是否属于氧化还原反应，并指出变价元素：
   • $CaC{O}_3+2HCl=CaC{l}_2+H_{2}O+C{O}_2\uparrow$
   • $CaO+H_{2}O=Ca(OH{)}_2$
   • $W{O}_3+3H_2\stackrel{\text{高温}}{\to }W+3H_{2}O$
   • $CaC{O}_3\stackrel{\text{高温}}{\to }CaO+C{O}_2\uparrow$
7. 判断$HCl$在下列反应中作氧化剂、还原剂，还是既非氧化剂也非还原剂：
   • $NaOH+HCl=NaCl+H_{2}O$
   • $Zn+2HCl=ZnC{l}_2+H_2\uparrow$
   • $Mn{O}_2+4HCl(\text{浓})\stackrel{\Delta }{\to }MnC{l}_2+C{l}_2\uparrow +2H_{2}O$
   • $CuO+2HCl=CuC{l}_2+H_{2}O$
8. 比较$S{O}_3\to H_{2}S{O}_4$、$Cu\to Cu(N{O}_3{)}_2$、$CuO\to Cu$、$CO\to C{O}_2$中目标元素价态的变化，判断哪项转化需要加入还原剂。
9. 已知$NaH$中氢为$-1$价。分析$NaH+H_{2}O=NaOH+H_2\uparrow$中氢元素的价态变化，判断反应类型以及$NaH$、$H_{2}O$的作用。
10. 分析下列反应中的化合价变化，并指出氧化剂和还原剂：$2H_2+O_2\stackrel{\text{点燃}}{\to }2H_{2}O$；$4P+5O_2\stackrel{\text{点燃}}{\to }2P_2{O}_5$；$Fe+H_{2}S{O}_4(\text{稀})=FeS{O}_4+H_2\uparrow$；$2HgO\stackrel{\Delta }{\to }2Hg+O_2\uparrow$。

提升训练

11. 分析$H_2{O}_2$在下列三个反应中的作用：$H_2{O}_2+H_{2}S=2H_{2}O+S\downarrow$；$H_2{O}_2+C{l}_2=2HCl+O_2$；$2H_2{O}_2\stackrel{Mn{O}_2}{\to }2H_{2}O+O_2\uparrow$。
12. 高铁酸根可由下列离子反应制备：$3Cl{O}^{-}+2F{e}^{3+}+10O{H}^{-}=2Fe{O}_4^{2-}+3C{l}^{-}+5H_{2}O$。计算$Cl$和$Fe$的价态变化，指出氧化剂、还原剂及各自发生的反应。
13. 用表格概括氧化还原概念从“得氧失氧”到“化合价升降”再到“电子转移”的发展，分别写出每一阶段的判断标准、适用范围和局限，并说明这种概念发展给化学学习的启示。

练习题答案

1. 方程式：

$$2H_2{O}_2\stackrel{Mn{O}_2}{\to }2H_{2}O+O_2\uparrow$$ $$2KCl{O}_3\stackrel{Mn{O}_2,\Delta }{\to }2KCl+3O_2\uparrow$$ $$2KMn{O}_4\stackrel{\Delta }{\to }{K}_{2}Mn{O}_4+Mn{O}_2+O_2\uparrow$$

共同点：都属于分解反应，也都是氧化还原反应，因为有元素化合价变化。

2. $C$由0价升高到+2价，被氧化，是还原剂；$H_{2}O$中H由+1价降低到0价，$H_{2}O$是氧化剂。

3. 铝热反应：

$$2Al+F{e}_2{O}_3\stackrel{高温}{\to }A{l}_2{O}_3+2Fe$$

$Al$由0价升高到+3价，是还原剂；$F{e}_2{O}_3$中$Fe$由+3价降低到0价，$F{e}_2{O}_3$是氧化剂，被还原。

4. 金属冶炼、钢铁锈蚀、食物腐败涉及氧化还原反应；钟乳石形成主要涉及碳酸盐与碳酸氢盐转化，通常不按氧化还原反应处理。判断依据是变化过程中是否有元素化合价改变。

5. 置换反应一定是氧化还原反应；复分解反应一定不是氧化还原反应；化合反应和分解反应可能是氧化还原反应。例如$2Na+C{l}_2=2NaCl$是氧化还原型化合反应，而$CaO+H_{2}O=Ca(OH{)}_2$不是；$2KCl{O}_3$受热分解是氧化还原反应，而$CaC{O}_3$受热分解不是。最终仍应以化合价变化为判断依据。

6. 只有$W{O}_3+3H_2\stackrel{\text{高温}}{\to }W+3H_{2}O$属于氧化还原反应，其中$W$由$+6$价降为0价，$H$由0价升为$+1$价。其余三个反应中元素化合价均不变，不属于氧化还原反应。

7. 在$Mn{O}_2$与浓盐酸的反应中，$Cl$由$-1$价升到0价，$HCl$作还原剂；在$Zn$与盐酸的反应中，$H$由$+1$价降到0价，$HCl$作氧化剂。中和反应和$CuO$与盐酸的反应中各元素化合价不变，$HCl$既不是氧化剂也不是还原剂。

8. 需要加入还原剂的是$CuO\to Cu$，因为$Cu$由$+2$价降到0价，需要被还原。$S{O}_3\to H_{2}S{O}_4$中硫元素价态不变；$Cu\to Cu(N{O}_3{)}_2$和$CO\to C{O}_2$中目标元素价态升高，需要氧化剂。

9. $NaH$中$H$为$-1$价，生成$H_2$时升为0价，因此$NaH$中的氢被氧化，$NaH$作还原剂；$H_{2}O$中$H$由$+1$价降到0价，被还原，$H_{2}O$作氧化剂。该反应属于氧化还原反应，但不属于置换反应或复分解反应。

10. （1）$H_2$中$H$由0升到+1，$O_2$中$O$由0降到-2，$O_2$是氧化剂，$H_2$是还原剂。（2）$P$由0升到+5，$O$由0降到-2，$O_2$是氧化剂，$P$是还原剂。（3）$Fe$由0升到+2，$H^{+}$由+1降到0，$H_{2}S{O}_4$表现氧化性，$Fe$是还原剂。（4）$Hg$由+2降到0，$O$由-2升到0，$HgO$既作氧化剂又作还原剂。

11. $H_2{O}_2+H_{2}S=2H_{2}O+S\downarrow$中，$H_2{O}_2$中$O$由-1降到-2，作氧化剂；$H_2{O}_2+C{l}_2=2HCl+O_2$中，$H_2{O}_2$中$O$由-1升到0，作还原剂；$2H_2{O}_2\stackrel{Mn{O}_2}{\to }2H_{2}O+O_2\uparrow$中，$H_2{O}_2$既作氧化剂又作还原剂。

12. $Cl{O}^{-}$中$Cl$为+1价，生成$C{l}^{-}$后为-1价，化合价降低，$Cl{O}^{-}$是氧化剂；$F{e}^{3+}$中$Fe$为+3价，$Fe{O}_4^{2-}$中$Fe$为+6价，化合价升高，$F{e}^{3+}$是还原剂。解题关键是会计算复杂离子中中心元素价态。

13. 可列表表示：得氧/失氧阶段，把与氧结合叫氧化、失氧叫还原；化合价阶段，把化合价升高叫氧化、降低叫还原；电子转移阶段，把失电子或电子对偏离叫氧化，得电子或电子对偏向叫还原。启示：化学概念会随证据和理论发展而不断完善，学习时要注意概念适用范围。