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[摘 要]概述氧化还原反应的三种认知表征形式，讨论用元素化合价升降表征氧化还原反应的可行性、必要性和实用性。归纳氧化还原反应的基本表征形式，并将其用作解答依据，分析解答氧化还原反应有关试题。
[关键词]元素化合价；升降；表征；氧化还原反应
[中图分类号] G633.8 [文献标识码] A [文章编号] 16746058
（2018）02005503
普通高中课程标准实验教科书化学必修1（人教版），通过“思考与交流”活动，与初中化学内容衔接，层层推进，建立了氧化还原反应理论的认知模型：由得失氧的特殊反应切入，建立“氧化还原反应的初始概念→根据特殊反应和一般反应的分析研究，抽象概括出氧化还原反应的一般特征——反应前后有元素化合价升降→研究反应前后元素化合价升降的根本原因，揭示氧化还原反应的本质——电子转移（得失或偏移）”的模型。教材从特殊到一般，从现象到本质，逐步概括氧化还原反应的基本概念和变化规律，系统、完整地阐释了氧化还原反应理论，科学地呈现了氧化还原反应理论的发展过程。
得失氧表征仅适用于少数氧化还原反应，电子转移表征旨在揭示氧化还原反应的本质，而元素化合价升降表征不仅适用于所有氧化还原反应，而且还能反映氧化还原反应的本质。此外，元素化合价是元素的宏观性质，其升降是外显的，易于判断和确定。而电子转移是微观的、内隐的，其变化一般需借助反应前后元素化合价的变化来判断和确定，不便直接判断和确定。因此，可以用元素化合价的升降全面表征氧化还原反应，即用元素化合价的升降表征氧化还原反应的基本概念和变化规律。用元素化合价升降表征氧化还原反应，可有效提高氧化还原反应理论应用的可操作性和实效性。下面详细介绍用元素化合价升降表征氧化还原反应的基本形式，并在此基础上探讨其在解题中的具体应用。
一、氧化还原反应基本概念的表征
氧化还原反应的基本概念包括氧化还原反应、氧化反应、还原反应，被氧化、被还原，氧化剂、还原剂，氧化产物、还原产物，氧化性、还原性等，均可以用反应前后元素化合价的升降进行直接或间接表征，其基本表征形式见表2。
表2 氧化还原反应基本概念的表征
二、氧化还原反应基本规律的表征
氧化还原反应的基本规律主要有化合价升降规律、物质的氧化性和还原性规律、物质氧化性和还原性强弱规律、电子转移规律、反应方向规律等。
1.元素化合价升降规律的表征
（1）在氧化还原反应中，一定同时发生元素化合价的升高和降低两种变化。
（2）相邻价态的同种元素之间不发生氧化还原反应，即不发生化合价升降。
（3）不相邻价态的同种元素之间发生氧化还原反应，元素化合价升高和降低后的值处于反应前元素的两种化合价之间，不发生化合价变化的交叉或化合价互换。
（4）在氧化还原反应中，元素化合价的升高总数等于元素化合价的降低总数。
2.物质的氧化性和还原性规律的表征
（1）所含元素化合价降低的物质表现氧化性，所含元素化合价升高的物質表现还原性，所含元素化合价既升高又降低的物质，既表现氧化性又表现还原性。一般的，含有最高价元素的物质具有氧化性；含有最低价元素的物质具有还原性；含有中间价元素的物质既有氧化性又有还原性。
（2）金属单质在反应中其元素化合价只升不降，只有还原性。非金属单质在反应中其元素化合价可降可升，既有氧化性又有还原性（单质氟一般只有氧化性）。
3.物质氧化性和还原性强弱规律的表征
（1）物质的氧化性强弱只与其中元素化合价降低的难易程度（即得到电子的能力）有关，与化合价降低的数值大小无关；物质的还原性强弱只与其中元素化合价升高的难易程度（即失去电子的能力）有关，与化合价升高的数值大小无关。
含有同一种元素的不同物质，其氧化性或还原性强弱不能根据该元素化合价高低判断。
（2）在氧化还原反应中，氧化剂的氧化性强于氧化产物，还原剂的还原性强于还原产物。
（3）物质氧化性或还原性强弱还可以根据元素周期律、金属活动性顺序、原电池电极反应、反应物浓度、溶液酸碱性和反应温度等判断。
4.电子转移规律的表征
（1）反应后还原剂所含元素化合价升高，失去电子；氧化剂所含元素化合价降低，得到电子。
（2）一个原子或离子被还原得到的电子数目=相应元素化合价的降低值。
（3）一个原子或离子被氧化失去的电子数目=相应元素化合价的升高值。
（4）氧化剂得到的电子数目=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的数目。
（5）还原剂失去的电子数目=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的数目。
（6）氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
（7）还原剂失去的电子的物质的量=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的物质的量。
5.反应方向的间接表征
（1）强氧化性物质与强还原性物质反应，生成弱氧化性物质和弱还原性物质。
（2）一种氧化性物质与多种还原性物质反应时，首先氧化还原性最强的物质。一种还原性的物质与多种氧化性物质反应时，首先还原氧化性最强的物质。
三、氧化还原反应有关试题的解答
用反应前后元素化合价升降表征氧化还原反应，为氧化还原反应理论的应用带来极大的方便。如解答氧化还原反应有关试题，可以直接运用上述表征作为解答依据，从反应前后元素化合价的升降分析入手进行解答。
1.氧化还原反应基本概念的应用 （1）氧化还原反应的判断
【例1】 判断下列有关化学基本概念的依据正确的是（ ）。
A.氧化还原反应：元素化合价是否变化
B.共价化合物：是否含有共价键
C.强弱电解质：溶液的导电能力大小
D.金属晶体：晶体是否能够导电
【解答依据】反应前后有元素化合价升降（或变化）的反应是氧化还原反应。
【答案】A。
（2）氧化剂、还原剂的判断
【例2】 下列氧化还原反应中，水作为氧化剂的是（ ）。
A.CO H2O高温CO2 H2
B.3NO2 H2O=2HNO3 NO
C.2Na2O2 2H2O=4NaOH O2↑
D.2F2 2H2O=4HF O2
【解答依据】反应后所含元素化合价降低的反应物为氧化剂。
【剖析】A选项，水中氢元素化合价降低；B和C选项，水中氢、氧元素化合价均未变；D选项，水中氧元素化合价升高。
【答案】A。
（3）被氧化、被还原的判断
【例3】 下列变化中，气体被还原的是（ ）。
A.二氧化碳使Na2O2固体变白
B.氯气使KBr溶液变黄
C.乙烯使Br2的四氯化碳溶液褪色
D.氨气使AlCl3溶液产生白色沉淀
【解答依据】所含元素化合价降低的反应物被还原。
【剖析】写出有关反应的化学方程式：
2CO2 2Na2O2=2Na2CO3 O2
Cl2 2KBr=2KCl Br2
C2H4 Br2→C2H4Br2
3NH3 3H2O AlCl3=Al（OH）3↓ 3NH4Cl
根据化学方程式，A选项，二氧化碳气体中元素的化合价均未变；B选项，氯气中氯元素化合价降低，被还原；C选项，乙烯中碳元素化合价升高，被氧化；D选项，氨气中元素的化合价均未变。
【答案】B。
2.氧化还原反应基本规律的应用
电子转移数目的有关计算。
【例4】 已知氧化还原反应：2Cu（IO3）2 24KI 12H2SO4=2CuI 13I2 12K2SO4 12H2O，其中1mol氧化剂在反应中得到的电子为（ ）。
A.10mol B.11mol C.12mol D.13mol
【解答依据】（1）氧化剂：反应后所含元素化合价降低的反应物。
被氧化：化合价升高的元素被氧化。
（2）不相邻价态的同种元素之间发生氧化还原反应，不发生化合价变化的交叉或化合价互换。
（3）一个原子或离子被还原得到的电子数目=相应元素化合价的降低值。
氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
【剖析】首先根据解答依据（1）分析元素化合价升降，确定Cu（IO3）2是氧化剂，其中铜元素和碘元素均被还原；根据解答依据（2），确定Cu（IO3）2中的碘元素从 5价变为0价（而非从 5价变成-1价）；然后根据解答依据（3），计算出Cu（IO3）2中铜元素由 2价变为 1价，1个Cu2 得到一个电子，即1molCu（IO3）2中的1mol铜离子得到1mol电子；Cu（IO3）2中的碘元素从 5价变为0价，一个碘原子得到5个电子，1molCu（IO3）2中有2mol碘原子被还原，共得到10mol电子。最后确定1molCu（IO3）2中的铜元素和碘元素同时被还原共得到11mol电子。
【答案】B。
3.综合应用
【例5】 某一反应体系有反应物和生成物共五种物质：O2、H2CrO4、Cr（OH）3、H2O、H2O2。
已知该反应中H2O2只发生如下过程：H2O2→O2
（1）该反应中的还原剂是
。
（2）该反应中，发生还原反应的过程是 →
。
（3）写出该反应的化学方程式，并标出电子转移的方向和数目 。
（4）如反应转移了0.3mol电子，则产生的气体在标准状况下的体积为 。
【解答依据】试题各问的解答依据依次如下：
（1）还原剂：反应后所含元素化合价升高的反应物。
（2）还原反应：物质中所含元素化合价降低的反应。
（3）氧化剂：反应后所含元素化合价降低的反应物。
还原剂：反应后所含元素化合价升高的反应物。
氧化产物：氧化反应的生成物。
还原产物：还原反应的生成物。
在氧化还原反应中，元素化合价的升高总数=元素化合价的降低总数。
反应后，还原剂所含元素化合价升高，失去电子；氧化剂所含元素化合价降低，得到电子。
氧化剂得到的电子数目=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的数目。
还原剂失去的电子数目=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的数目。
（4）氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
还原剂失去的电子的物质的量=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的物质的量。
【剖析】（1）、（2）问直接根据相应解答依据，分析元素化合价升降来进行判断。第（3）问应根据相应的解答依据，通过分析元素化合价升降，先确定反应的氧化剂、还原剂、还原产物和氧化产物，写出化学方程式（根据化合价升降总数相等配平）。然后，依次计算氧化剂变成还原产物所得到的电子数目，还原剂变成氧化产物所失去的电子数目，最后用单线桥或双线桥表示出电子转移的方向和数目。第（4）问可根据化学方程式，抽象出生成气体在标准状况下的体积与反应转移电子的物质的量的关系式，然后根据关系式计算出0.3mol电子转移反应所产生的气体体积，或直接根据H2O2→O2计算。
H2O2 - 2e-→ O2
2mole- 22.4L（標准状况）
0.3mole- V
【答案】（1）H2O2 （2）H2CrO4 Cr（OH）3
（3）
（4）3.36L
综上所述，用反应前后元素化合价升降表征氧化还原反应，并将其基本表征形式作为解答依据，用于分析、解答氧化还原反应有关问题，能够切实提高氧化还原反应理论应用的操作性和实效性。
[ 参 考 文 献 ]
宋心琦，王晶，郑长龙，等.普通高中课程标准实验教科书化学必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.
（责任编辑 罗 艳）
[关键词]元素化合价；升降；表征；氧化还原反应
[中图分类号] G633.8 [文献标识码] A [文章编号] 16746058
（2018）02005503
普通高中课程标准实验教科书化学必修1（人教版），通过“思考与交流”活动，与初中化学内容衔接，层层推进，建立了氧化还原反应理论的认知模型：由得失氧的特殊反应切入，建立“氧化还原反应的初始概念→根据特殊反应和一般反应的分析研究，抽象概括出氧化还原反应的一般特征——反应前后有元素化合价升降→研究反应前后元素化合价升降的根本原因，揭示氧化还原反应的本质——电子转移（得失或偏移）”的模型。教材从特殊到一般，从现象到本质，逐步概括氧化还原反应的基本概念和变化规律，系统、完整地阐释了氧化还原反应理论，科学地呈现了氧化还原反应理论的发展过程。
得失氧表征仅适用于少数氧化还原反应，电子转移表征旨在揭示氧化还原反应的本质，而元素化合价升降表征不仅适用于所有氧化还原反应，而且还能反映氧化还原反应的本质。此外，元素化合价是元素的宏观性质，其升降是外显的，易于判断和确定。而电子转移是微观的、内隐的，其变化一般需借助反应前后元素化合价的变化来判断和确定，不便直接判断和确定。因此，可以用元素化合价的升降全面表征氧化还原反应，即用元素化合价的升降表征氧化还原反应的基本概念和变化规律。用元素化合价升降表征氧化还原反应，可有效提高氧化还原反应理论应用的可操作性和实效性。下面详细介绍用元素化合价升降表征氧化还原反应的基本形式，并在此基础上探讨其在解题中的具体应用。
一、氧化还原反应基本概念的表征
氧化还原反应的基本概念包括氧化还原反应、氧化反应、还原反应，被氧化、被还原，氧化剂、还原剂，氧化产物、还原产物，氧化性、还原性等，均可以用反应前后元素化合价的升降进行直接或间接表征，其基本表征形式见表2。
表2 氧化还原反应基本概念的表征
二、氧化还原反应基本规律的表征
氧化还原反应的基本规律主要有化合价升降规律、物质的氧化性和还原性规律、物质氧化性和还原性强弱规律、电子转移规律、反应方向规律等。
1.元素化合价升降规律的表征
（1）在氧化还原反应中，一定同时发生元素化合价的升高和降低两种变化。
（2）相邻价态的同种元素之间不发生氧化还原反应，即不发生化合价升降。
（3）不相邻价态的同种元素之间发生氧化还原反应，元素化合价升高和降低后的值处于反应前元素的两种化合价之间，不发生化合价变化的交叉或化合价互换。
（4）在氧化还原反应中，元素化合价的升高总数等于元素化合价的降低总数。
2.物质的氧化性和还原性规律的表征
（1）所含元素化合价降低的物质表现氧化性，所含元素化合价升高的物質表现还原性，所含元素化合价既升高又降低的物质，既表现氧化性又表现还原性。一般的，含有最高价元素的物质具有氧化性；含有最低价元素的物质具有还原性；含有中间价元素的物质既有氧化性又有还原性。
（2）金属单质在反应中其元素化合价只升不降，只有还原性。非金属单质在反应中其元素化合价可降可升，既有氧化性又有还原性（单质氟一般只有氧化性）。
3.物质氧化性和还原性强弱规律的表征
（1）物质的氧化性强弱只与其中元素化合价降低的难易程度（即得到电子的能力）有关，与化合价降低的数值大小无关；物质的还原性强弱只与其中元素化合价升高的难易程度（即失去电子的能力）有关，与化合价升高的数值大小无关。
含有同一种元素的不同物质，其氧化性或还原性强弱不能根据该元素化合价高低判断。
（2）在氧化还原反应中，氧化剂的氧化性强于氧化产物，还原剂的还原性强于还原产物。
（3）物质氧化性或还原性强弱还可以根据元素周期律、金属活动性顺序、原电池电极反应、反应物浓度、溶液酸碱性和反应温度等判断。
4.电子转移规律的表征
（1）反应后还原剂所含元素化合价升高，失去电子；氧化剂所含元素化合价降低，得到电子。
（2）一个原子或离子被还原得到的电子数目=相应元素化合价的降低值。
（3）一个原子或离子被氧化失去的电子数目=相应元素化合价的升高值。
（4）氧化剂得到的电子数目=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的数目。
（5）还原剂失去的电子数目=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的数目。
（6）氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
（7）还原剂失去的电子的物质的量=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的物质的量。
5.反应方向的间接表征
（1）强氧化性物质与强还原性物质反应，生成弱氧化性物质和弱还原性物质。
（2）一种氧化性物质与多种还原性物质反应时，首先氧化还原性最强的物质。一种还原性的物质与多种氧化性物质反应时，首先还原氧化性最强的物质。
三、氧化还原反应有关试题的解答
用反应前后元素化合价升降表征氧化还原反应，为氧化还原反应理论的应用带来极大的方便。如解答氧化还原反应有关试题，可以直接运用上述表征作为解答依据，从反应前后元素化合价的升降分析入手进行解答。
1.氧化还原反应基本概念的应用 （1）氧化还原反应的判断
【例1】 判断下列有关化学基本概念的依据正确的是（ ）。
A.氧化还原反应：元素化合价是否变化
B.共价化合物：是否含有共价键
C.强弱电解质：溶液的导电能力大小
D.金属晶体：晶体是否能够导电
【解答依据】反应前后有元素化合价升降（或变化）的反应是氧化还原反应。
【答案】A。
（2）氧化剂、还原剂的判断
【例2】 下列氧化还原反应中，水作为氧化剂的是（ ）。
A.CO H2O高温CO2 H2
B.3NO2 H2O=2HNO3 NO
C.2Na2O2 2H2O=4NaOH O2↑
D.2F2 2H2O=4HF O2
【解答依据】反应后所含元素化合价降低的反应物为氧化剂。
【剖析】A选项，水中氢元素化合价降低；B和C选项，水中氢、氧元素化合价均未变；D选项，水中氧元素化合价升高。
【答案】A。
（3）被氧化、被还原的判断
【例3】 下列变化中，气体被还原的是（ ）。
A.二氧化碳使Na2O2固体变白
B.氯气使KBr溶液变黄
C.乙烯使Br2的四氯化碳溶液褪色
D.氨气使AlCl3溶液产生白色沉淀
【解答依据】所含元素化合价降低的反应物被还原。
【剖析】写出有关反应的化学方程式：
2CO2 2Na2O2=2Na2CO3 O2
Cl2 2KBr=2KCl Br2
C2H4 Br2→C2H4Br2
3NH3 3H2O AlCl3=Al（OH）3↓ 3NH4Cl
根据化学方程式，A选项，二氧化碳气体中元素的化合价均未变；B选项，氯气中氯元素化合价降低，被还原；C选项，乙烯中碳元素化合价升高，被氧化；D选项，氨气中元素的化合价均未变。
【答案】B。
2.氧化还原反应基本规律的应用
电子转移数目的有关计算。
【例4】 已知氧化还原反应：2Cu（IO3）2 24KI 12H2SO4=2CuI 13I2 12K2SO4 12H2O，其中1mol氧化剂在反应中得到的电子为（ ）。
A.10mol B.11mol C.12mol D.13mol
【解答依据】（1）氧化剂：反应后所含元素化合价降低的反应物。
被氧化：化合价升高的元素被氧化。
（2）不相邻价态的同种元素之间发生氧化还原反应，不发生化合价变化的交叉或化合价互换。
（3）一个原子或离子被还原得到的电子数目=相应元素化合价的降低值。
氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
【剖析】首先根据解答依据（1）分析元素化合价升降，确定Cu（IO3）2是氧化剂，其中铜元素和碘元素均被还原；根据解答依据（2），确定Cu（IO3）2中的碘元素从 5价变为0价（而非从 5价变成-1价）；然后根据解答依据（3），计算出Cu（IO3）2中铜元素由 2价变为 1价，1个Cu2 得到一个电子，即1molCu（IO3）2中的1mol铜离子得到1mol电子；Cu（IO3）2中的碘元素从 5价变为0价，一个碘原子得到5个电子，1molCu（IO3）2中有2mol碘原子被还原，共得到10mol电子。最后确定1molCu（IO3）2中的铜元素和碘元素同时被还原共得到11mol电子。
【答案】B。
3.综合应用
【例5】 某一反应体系有反应物和生成物共五种物质：O2、H2CrO4、Cr（OH）3、H2O、H2O2。
已知该反应中H2O2只发生如下过程：H2O2→O2
（1）该反应中的还原剂是
。
（2）该反应中，发生还原反应的过程是 →
。
（3）写出该反应的化学方程式，并标出电子转移的方向和数目 。
（4）如反应转移了0.3mol电子，则产生的气体在标准状况下的体积为 。
【解答依据】试题各问的解答依据依次如下：
（1）还原剂：反应后所含元素化合价升高的反应物。
（2）还原反应：物质中所含元素化合价降低的反应。
（3）氧化剂：反应后所含元素化合价降低的反应物。
还原剂：反应后所含元素化合价升高的反应物。
氧化产物：氧化反应的生成物。
还原产物：还原反应的生成物。
在氧化还原反应中，元素化合价的升高总数=元素化合价的降低总数。
反应后，还原剂所含元素化合价升高，失去电子；氧化剂所含元素化合价降低，得到电子。
氧化剂得到的电子数目=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的数目。
还原剂失去的电子数目=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的数目。
（4）氧化剂得到的电子的物质的量=一个原子或离子被还原得到的电子数目×被还原的原子或离子的物质的量。
还原剂失去的电子的物质的量=一个原子或离子被氧化失去的电子数目×被氧化的原子或离子的物质的量。
【剖析】（1）、（2）问直接根据相应解答依据，分析元素化合价升降来进行判断。第（3）问应根据相应的解答依据，通过分析元素化合价升降，先确定反应的氧化剂、还原剂、还原产物和氧化产物，写出化学方程式（根据化合价升降总数相等配平）。然后，依次计算氧化剂变成还原产物所得到的电子数目，还原剂变成氧化产物所失去的电子数目，最后用单线桥或双线桥表示出电子转移的方向和数目。第（4）问可根据化学方程式，抽象出生成气体在标准状况下的体积与反应转移电子的物质的量的关系式，然后根据关系式计算出0.3mol电子转移反应所产生的气体体积，或直接根据H2O2→O2计算。
H2O2 - 2e-→ O2
2mole- 22.4L（標准状况）
0.3mole- V
【答案】（1）H2O2 （2）H2CrO4 Cr（OH）3
（3）
（4）3.36L
综上所述，用反应前后元素化合价升降表征氧化还原反应，并将其基本表征形式作为解答依据，用于分析、解答氧化还原反应有关问题，能够切实提高氧化还原反应理论应用的操作性和实效性。
[ 参 考 文 献 ]
宋心琦，王晶，郑长龙，等.普通高中课程标准实验教科书化学必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.
（责任编辑 罗 艳）