第三節(jié) 氧化還原反應一、教學設計本節(jié)主要包括三部分內容，即氧化還原反應的概念、氧化還原反應的特征和氧化還原反應的本質。在第一部分內容中，教科書以“思考與交流”的方式，讓學生通過列舉幾個氧化反應和還原反應的實例，從得氧、失氧的角度對這些反應進行分類，最后得出氧化反應和還原反應是同時發(fā)生的結論，從而得出氧化還原反應的概念。在第二部分內容中，教科書還是以“思考與交流”的方式，讓學生對常見的化學反應從元素的化合價是否發(fā)生了變化進行分類，分析氧化還原反應與元素化合價升降的關系，引出氧化還原反應的特征。將氧化還原反應擴大到雖然沒有得氧、失氧關系，但只要化學反應前后元素化合價有升降的反應都屬于氧化還原反應。第三部分主要從微觀的角度來認識電子轉移與氧化還原反應的關系，這是本節(jié)的主要內容。教科書以鈉與氯氣的反應、氫氣與氯氣的反應為例，從原子結構的角度討論了氧化還原反應與電子轉移的關系，并從電子轉移的角度給氧化還原反應下了一個更為本質的定義。第三部分的最后安排了“學與問”，要求通過討論，分析置換反應等基本類型的反應與氧化還原反應的關系，并要求學生用交叉分類示意圖簡要表示這種關系。本節(jié)最后簡介了氧化還原反應在工農業(yè)生產(chǎn)、科學技術和日常生活中的重要應用，同時也辯證地介紹了氧化還原反應會給人類帶來危害等。本節(jié)教學重點和難點：氧化還原反應的本質。教學建議如下：1.化合價變化和電子轉移的關系是本節(jié)教學的關鍵。教學中可結合實例，從得氧失氧、化合價升降到電子轉移，一環(huán)扣一環(huán)、由表及里地揭示氧化還原反應的本質。當然，也要告訴學生在學習過程中要正確、恰當?shù)乜创拍畹男纬珊桶l(fā)展。2.本節(jié)所設置的兩個“思考與交流”起到了承上啟下的作用，而“學與問”則對兩種不同化學反應分類方法氧化還原反應和四種基本類型反應有機地聯(lián)系在一起，起到了鞏固、升華的作用。建議教師在教學中重視培養(yǎng)學生“討論探究式”的學習方法，精心設計討論過程（如可設計不同的思路引導討論，形式也可多種多樣）。同時注意教學中要留出時間，指導學生閱讀教科書、練習鞏固，并引導學生進行小結。對于第一個“思考與交流”，可首先組織學生復習初中學過的氧化反應、還原反應的概念，引導學生從得氧、失氧的角度對化學反應進行分類。接著組織學生討論，得出氧化反應和還原反應同時存在、不能分開，從而引出本節(jié)要學習的氧化還原反應的內容。對于第二個“思考與交流”，要引導學生從元素的化合價是否發(fā)生了變化的角度，對化學反應進行分類。這樣一方面突出了分類的思想方法，另一方面也把初、高中知識自然地銜接起來。3.正確、辯證地認識氧化還原反應中各有關物質的相互關系是很重要的。例如，講氧化劑和還原劑時，應著重說明在氧化還原反應中，氧化劑從還原劑獲得電子而被還原，還原劑則將電子轉移給氧化劑而被氧化，氧化劑與還原劑在反應中是相互依存的。4.對于氧化還原反應，教科書只要求學生知道在氧化還原反應中，某些元素的化合價在反應前后發(fā)生了變化；氧化還原反應的本質是有電子轉移（得失或偏移）。不要引入“雙線橋”“單線橋”以及氧化還原方程式的配平等內容。常見的氧化劑和還原劑也僅限于教科書中的例子。二、問題交流【思考與交流1】1.提示：硫、鐵、鋁與氧氣的反應，氫氣還原氧化銅，木炭還原氧化銅等。這類反應的分類標準為得氧即氧化反應，失氧即還原反應。2.提示：在木炭還原氧化銅的反應中，既有氧化銅失去氧發(fā)生的還原反應，還有碳得到氧發(fā)生的氧化反應。因此，氧化反應和還原反應是同時發(fā)生的。【思考與交流2】1.Fe+CuSO4=FeSO4+CuFe 的化合價升高，Cu的化合價降低Mg+2HCl=MgCl2+H2Mg 的化合價升高，H的化合價降低S+O2=SO2 S 的化合價升高，O的化合價降低CuO+H2=Cu+H2O H 的化合價升高，Cu的化合價降低2.不是，只要反應前后化合價有升降的反應都是氧化還原反應?！緦W與問】1.提示：正確。因為在這幾類反應中，反應前后都有元素化合價發(fā)生變化。2.提示：化合反應、分解反應、置換反應與氧化還原反應的交叉分類示意圖（可以啟發(fā)學生思考多種表示方法）：三、習題參考1.提示：碳元素和銅元素。碳元素的化合價升高，銅元素的化合價降低。2.C3.C、B4.提示：反應中元素的原子發(fā)生了電子轉移（得失或偏移）。失去（或偏離）；獲得（或偏向）。教學資源1.科學方法簡介 類 別名 稱定 義方法舉例獲取科學事實的方法觀察通過感官或借助一定儀器，有目的、有計劃地考察和描述客觀對象的方法直接觀察間接觀察實驗根據(jù)一定的研究目的，運用一定的物質手段（通常是科學儀器和設備），在人為控制或模擬自然現(xiàn)象的條件下獲取科學事實、探索其本質和規(guī)律的方法定性實驗定量實驗對照實驗模擬實驗思想實驗按照實驗的模型展開的思維活動，是一種特殊實驗方法理想實驗想象實驗整理科學事實的方法比較通過相關對象之間的對比，確定它們的差異點和共同點，并發(fā)現(xiàn)其共同規(guī)律的思維方法求同比較求異比較綜合比較分類根據(jù)對象的共同點和差異點，將對象區(qū)分為不同的種類，而且形成有一定從屬關系的不同等級的系統(tǒng)的邏輯方法樹狀分類法二元分類法多元分類法類比根據(jù)兩類對象之間某些相同或相似，推出它們在其他方面也可能相同或相似的邏輯推理方法共存類比法因果類比法對稱類比法綜合類比法歸納從個別到一般的邏輯思維方法完全歸納法不完全歸納法科學歸納法演繹與歸納法相反，從一般到個別的邏輯思維方法分析把整體分解為部分，或把復雜事物分解為簡單要素，或把過程分解為階段，或把動態(tài)凝固為靜態(tài)來研究的思維方法綜合與分析相反，把各個部分、各個方面、各個層次、各種因素結合起來，動態(tài)地考察對象的思維方法構造科學理論體系的方法假說根據(jù)科學原理和事實，對未知的新事實作出的假定性說明模型通過研究模型來解釋原型（被模擬的對象）的形態(tài)、特征和本質的方法理想模型物理模型數(shù)學模型科學理論是系統(tǒng)化了的科學知識體系，它用概念、判斷、推理的形式完整地反映客觀對象的本質及其規(guī)律橫向科學方法系統(tǒng)方法按照事物的系統(tǒng)性把對象放在系統(tǒng)的模式中加以考察的方法信息方法把系統(tǒng)的過程當作信息傳遞和轉換的過程，通過對信息流程的分析和處理，以達到對某個復雜系統(tǒng)運動過程的規(guī)律性認識的方法反饋控制用系統(tǒng)活動的結果來調整系統(tǒng)活動的方法功能模擬以功能和行為的相似為基礎，用模型模仿原型的功能和行為的方法黑箱方法利用外部觀測、試驗，通過輸入、輸出信息來研究黑箱功能和特征，探究其構造和機理的方法2.丁達爾效應和光散射1869年，英國科學家丁達爾發(fā)現(xiàn)了丁達爾效應。光射到粒子上可以發(fā)生兩種情況，一是當粒子直徑大于入射光波長很多倍時，發(fā)生光的反射；二是當粒子直徑小于入射光的波長時，發(fā)生光的散射，散射出來的光稱為乳光。散射光的強度，隨著顆粒半徑增加而變化。懸（乳）濁液分散質粒子直徑太大，對于入射光只有反射而不散射；溶液里溶質粒子太小，對于入射光散射很微弱，觀察不到丁達爾效應；只有溶膠才有比較明顯的乳光，這時粒子好像一個發(fā)光體，無數(shù)發(fā)光體散射的結果就形成了光的通路。散射光的強度還隨著粒子濃度的增大而增加，因此，進行實驗時，溶膠濃度不要太小。3.跨世紀的納米材料1965年諾貝爾物理學獎獲得者、美國加利福尼亞工學院教授費曼(R.P.Feynman)曾在1959年預言：“如果有一天可以按照人的意志來安排一個個原子，將會產(chǎn)生怎樣的奇跡？”時間僅僅過去了二十幾年，到了1982年，費曼的預言便成了現(xiàn)實。國際商用機器公司研制成了掃描隧道顯微鏡（簡稱STM），它不僅能使人類觀察到了原子，而且能夠利用儀器的針尖來操縱原子，德國科學家賓尼（G.Binnig）等利用掃描隧道顯微鏡在鎳板上將硅原子組成了“IBM”（國際商用機器公司的英文縮略語）的字樣。不久，日本科學家又將硅原子堆成了一個金字塔。于是，人類也像大自然一樣，成了主宰原子和分子的主人，而不僅僅是被動地去認識和利用大自然造就的原子和分子。這樣，到了20和21世紀之交，人類正在悄悄地進入一個嶄新的科技時代納米科技時代。納米科技是在納米的尺度上研究和應用原子、分子及其結構信息的高新技術，它的最終目標是直接用具有納米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料，被稱為納米材料（由粒徑1100 nm的粒子組成的固體材料），它是21世紀很有希望和前途的新型材料。（1）納米材料的發(fā)現(xiàn)組成材料的物質顆粒變小了，“小不點”會不會與“大個子”的性質很不相同呢？這便是納米材料的發(fā)現(xiàn)者德國物理學家格萊特（Grant）的科學思路。那是1980年的一天，格萊特到澳大利亞旅游，當他獨自駕車橫穿澳大利亞的大沙漠時，空曠、寂寞和孤獨的環(huán)境反而使他的思維特別活躍和敏銳。他長期從事晶體材料的研究，了解晶體的晶粒大小對材料的性能有很大的影響：晶粒越小，強度就越高。格萊特上面的設想只是材料的一般規(guī)律，他的想法一步一步地深入：如果組成材料的晶體的晶粒細到只有幾個納米大小，材料會是個什么樣子呢？或許會發(fā)生“翻天覆地”的變化吧！格萊特帶著這些想法回國后，立即開始試驗。經(jīng)過將近4年的努力，終于在1984年制得了只有幾個納米大小的超細粉末，包括各種金屬、無機化合物和有機化合物的超細粉末。格萊特在研究這些超細粉末時發(fā)現(xiàn)了一個十分有趣的現(xiàn)象。眾所周知，金屬具有各種不同的顏色，如金子是金黃色的，銀子是銀白色的，鐵是灰黑色的。至于金屬以外的材料如無機化合物和有機化合物，它們也可以帶著不同的色彩：瓷器上面的釉歷來都是多彩的，由各種有機化合物組成的染料更是鮮艷無比?？墒牵坏┧羞@些材料都被制成超細粉末時，它們的顏色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各種金屬統(tǒng)統(tǒng)變成了一種顏色黑色。正像格萊特想像的那樣，“小不點”與“大個子”相比，性能上發(fā)生了“翻天覆地”的變化。為什么無論什么材料，一旦制成納米“小不點”，就都成了黑色的呢？原來，當材料的顆粒尺寸變小到小于光波的波長（110-7 m左右）時，它對光的反射能力變得非常低，大約低到小于1%。既然超細粉末對光的反射能力很小，我們見到的納米材料便都是黑色的了?！靶〔稽c”性質上的變化確實是令人難以置信的。著名的美國阿貢國家實驗室制備出了一種納米金屬，居然使金屬從導電體變成了絕緣體；用納米大小的陶瓷粉末燒結成的陶瓷制品再也不會一摔就破了。格萊特的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)和正在改變科學技術中的一些傳統(tǒng)概念。因此，納米材料將是21世紀備受矚目的一種高新技術產(chǎn)品。（2）納米材料的應用 天然納米材料海龜在美國佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國附近的海域，才能得以生存和長大。最后，長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵。如此來回約需56年，為什么海龜能夠進行幾萬千米的長途跋涉呢？它們依靠的是頭部內的納米磁性材料，為它們準確無誤地導航。生物學家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來不會迷失方向時，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內同樣存在著納米材料為它們導航。 納米磁性材料在實際中應用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學性質，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結構和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質、圖像和信噪比好，而且記錄密度比-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉密封及潤滑和選礦等領域。 納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質脆，燒結溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運動，因此，納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學穩(wěn)定性，而內部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。 納米傳感器納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀，檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。 納米傾斜功能材料在航天用的氫氧發(fā)動機中，燃燒室的內表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內表面要用陶瓷制作，外表面則要用導熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結合在一起。如果制作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結成形時，就能達到燃燒室內側耐高溫、外側有良好導熱性的要求。 納米半導體材料將硅、砷化鎵等半導體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導體中的量子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、導電率降低，電導熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領域發(fā)揮重要的作用。利用半導體納米粒子可以制備出光電轉化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由于納米半導體粒子受光照射時產(chǎn)生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無機物，降解大多數(shù)有機物，最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導體納米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。 納米催化材料納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數(shù)較大、表面的化學鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內部不同、表面原子配位不全，導致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應的溫度從600 降低到室溫。 醫(yī)療上的應用血液中紅血球的大小為6 0009 000 nm，而納米粒子只有幾個納米大小，實際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個部位，便可以檢查病變和進行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。 納米計算機世界上第一臺電子計算機誕生于1945年，它是由美國的大學和陸軍部共同研制成功的，一共用了18 000個電子管，總重量30 t，占地面積約170 m2，可以算得上一個龐然大物了，可是，它在1 s內只能完成5 000次運算。經(jīng)過了半個世紀，由于集成電路技術、微電子學、信息存儲技術、計算機語言和編程技術的發(fā)展，使計算機技術有了飛速的發(fā)展。今天的計算機小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬分之一，但運算速度卻遠遠超過了第一代電子計算機。如果采用納米技術來構筑電子計算機的器件，那么這種未來的計算機將是一種“分子計算機”，其袖珍的程度又遠非今天的計算機可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會帶來十分可觀的效益。納米碳管1991年，日本電氣公司的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖2-1。圖 2-1 納米碳管這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長的尺寸都是納米量級的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強度比鋼高出100倍，導電率比銅還要高。在空氣中將納米碳管加熱到700 左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內形成的金屬絲也特別細，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應是具有超導性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導體。4.氧化數(shù)對于離子化合物來說，氧化還原反應中電子是完全失去或完全得到的。但是，對于共價化合物來說，氧化還原反應中有電子的偏移，但沒有完全的失去或得到。因此用氧化數(shù)來表示就更為合理。例如：H2+Cl2=2HCl這個反應的生成物是共價化合物，氫原子的電子沒有完全失去，氯原子也沒有完全得到電子，只是形成的電子對偏離氫而偏向氯。用氧化數(shù)的升降來表示就是氯從0到-1，氫從0到+1。這樣，氧化數(shù)的升高就是被氧化，氧化數(shù)的降低就是被還原。在氧化還原反應里，一種元素氧化數(shù)升高的數(shù)值總是跟另一種元素氧化數(shù)降低的數(shù)值相等。以下列出一些氧化劑和還原劑中某些元素的氧化數(shù)。5.氧化還原反應在工農業(yè)生產(chǎn)、科學技術和日常生活中的意義在這里，只能對氧化還原反應在工農業(yè)生產(chǎn)、科學技術等方面的作用和意義作一些極簡單的介紹。我們所需要的各種各樣的金屬，都是通過氧化還原反應從礦石中提煉而得到的。如制造活潑的有色金屬要用電解或置換的方法；制造黑色金屬和別的有色金屬都是在高溫條件下用還原的方法；制備貴重金屬常用濕法還原，等等。許多重要化工產(chǎn)品的制造，如合成氨、合成鹽酸、接觸法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食鹽水電解制燒堿等等，主要反應也是氧化還原反應。石油化工里的催化去氫、催化加氫、鏈烴氧化制羧酸、環(huán)氧樹脂的合成等等也都是氧化還原反應。在農業(yè)生產(chǎn)中，植物的光合作用、呼吸作用是復雜的氧化還原反應。施入土壤的肥料的變化，如銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氨，SO42-轉化為H2S等，雖然需要有細菌起作用，但就其實質來說，也是氧化還原反應。土壤里鐵或錳的氧化態(tài)的變化直接影響著作物的營養(yǎng)，曬田和灌田主要就是為了控制土壤里的氧化還原反應的進行。我們通常應用的干電池、蓄電池以及在空間技術上應用的高能電池都發(fā)生著氧化還原反應，否則就不可能把化學能轉變成電能、把電能轉變成化學能。人和動物的呼吸，把葡萄糖氧化為二氧化碳和水。通過呼吸把儲藏在食物的分子內的能，轉變?yōu)榇嬖谟谌姿嵯佘眨ˋTP）的高能磷酸鍵的化學能，這種化學能再供給人和動物進行機械運動、維持體溫、合成代謝、細胞的主動運輸?shù)人枰哪芰俊Ｃ?、石油、天然氣等燃料的燃燒更是供給人們生活和生產(chǎn)所必需的大量的能。由此可見，在許多領域里都涉及到氧化還原反應，我們引導學生學習和逐步掌握氧化還原反應對于他們今后參加生產(chǎn)、走向社會等都是有意義的。6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375