化学反应的类型Types of Chemical Reactions

大思想 · 转化(TRA)AP 科学实践 6 · 论证AP 衔接 · Unit 4约 40 分钟

学习目标

  • 根据转移的是质子还是电子,或者是否生成难溶物,判断一个反应是酸碱反应、氧化还原反应还是沉淀反应
  • 用氧化数的变化判断氧化还原反应,包括化合、分解、燃烧和歧化反应
  • 说明五种基本反应类型和这三类反应的关系,识别常见的错误理由

前置知识

  • 反应类型(合成、分解、单置换、复分解、燃烧)(2.7.1)
  • 氧化数(2.13.1)
  • 净离子方程式(U4.2)

AP 的三类反应:看转移了什么

2.7.1 节按反应的“形式”分类:化合、分解、单置换、复分解、燃烧。AP 按反应的“本质”分成三类:

类型本质判断依据例子
酸碱反应acid–base reaction质子(H⁺)转移H⁺ 从一种粒子转移到另一种,没有元素的氧化数变化HCl + NH₃ → NH₄Cl
氧化还原反应oxidation–reduction (redox) reaction电子转移有元素的氧化数变化Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
沉淀反应precipitation reaction离子结合成难溶物溶液中的离子生成难溶的固体Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓

用氧化数判断氧化还原反应

氧化数(2.13.1)的常用规则:单质中元素为 0;单原子离子等于它的电荷;F 为 −1;第 1、2 族金属为 +1、+2;H 一般为 +1,O 一般为 −2;各元素氧化数之和等于粒子的电荷。

一个反应中,只要有一种元素的氧化数变了,它就是氧化还原反应:氧化数升高的元素被氧化(失去电子),降低的被还原(得到电子)。U4.9 会进一步计算转移的电子。

五种基本类型和三类反应

两种分法看的东西不同,可以同时使用:

  • 燃烧、单置换反应: 都是氧化还原反应。
  • 化合、分解反应: 有的是氧化还原反应(2 Mg+OX2→点燃2 MgO\ce{2Mg + O2 ->[\text{点燃}] 2MgO}、2 HX2OX2→2 HX2O+OX2↑\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2 ^}),有的不是(CaO+HX2O→Ca(OH)X2\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}、CaCOX3→高温CaO+COX2↑\ce{CaCO3 ->[\text{高温}] CaO + CO2 ^})。
  • 复分解反应: 一般是沉淀反应或酸碱反应,有的两者都是:H₂SO₄ + Ba(OH)₂ → BaSO₄↓ + 2H₂O 既生成沉淀,又有 H⁺ 和 OH⁻ 结合成水。

两种值得注意的情况:

  • 歧化反应disproportionation:同一种元素既被氧化又被还原。2 HX2OX2→2 HX2O+OX2↑\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2 ^} 中 O 由 −1 变成 −2 和 0;3Br₂ + 6OH⁻ → 5Br⁻ + BrO₃⁻ + 3H₂O 中 Br 由 0 变成 −1 和 +5。
  • 铜和稀硝酸: 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻ → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O 中,被还原的是 NO₃⁻ 里的 N(+5 → +2),不是 H⁺。H 的氧化数没有变,所以不生成 H₂。

选反应的类型,看氧化数的证据:

动手试试:酸碱反应、氧化还原反应,还是沉淀反应?

2 Mg+OX2→2 MgO\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}

例题 1:判断类型并说明理由

判断下列反应的类型,说明理由:① NHX3+HCl→NHX4Cl\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl};② 2 Mg+OX2→点燃2 MgO\ce{2Mg + O2 ->[\text{点燃}] 2MgO};③ PbX2++2 IX−→PbIX2↓\ce{Pb^2+ + 2I- -> PbI2 v}。

分步解析
  1. 识别:三种类型各看什么。

    • 酸碱反应:有 HX+\ce{H+}(质子)转移
    • 氧化还原反应:有元素的氧化数改变,即有电子转移
    • 沉淀反应:溶液中的离子结合成难溶物

    每个反应都先标出氧化数,再看转移了什么、生成了什么。

  2. 反应 ①:NHX3+HCl→NHX4Cl\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}。 氧化数:N −3、H +1、Cl −1,反应前后都没有变,不是氧化还原。HX+\ce{H+} 从 HCl 转移给 NHX3\ce{NH3},生成 NHX4X+\ce{NH4+}:酸碱反应。形式上是化合反应,本质是质子转移。

  3. 反应 ②:2 Mg+OX2→2 MgO\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}。 比较氧化数:

    Mg:0→+2 (被氧化)O:0→−2 (被还原)\begin{aligned} \text{Mg} &: 0 \to +2\ (\text{被氧化}) \\ \text{O} &: 0 \to -2\ (\text{被还原}) \end{aligned}

    有电子从 Mg 转移给 O:氧化还原反应(同时也是化合反应和燃烧反应)。

  4. 反应 ③:PbX2++2 IX−→PbIX2↓\ce{Pb^2+ + 2I- -> PbI2 v}。 Pb 一直是 +2,I 一直是 −1,没有电子转移,也没有质子转移;溶液中的离子结合成难溶的 PbIX2\ce{PbI2}:沉淀反应。

  5. 理由的写法。 每个判断都写出“转移了什么”或“生成了什么”,并用氧化数检查。

例题 2:被还原的是谁

铜和稀硝酸反应:

3 Cu+8 HX++2 NOX3X−→3 CuX2++2 NO↑+4 HX2O\ce{3Cu + 8H+ + 2NO3- -> 3Cu^2+ + 2NO ^ + 4H2O}

指出被氧化和被还原的元素,说明为什么不生成 H₂。

分步解析
  1. 标出反应前后各元素的氧化数。

    Cu:0→+2N:+5 (NOX3X−)→+2 (NO)H:+1→+1O:−2→−2\begin{aligned} \text{Cu} &: 0 \to +2 \\ \text{N} &: +5\ (\ce{NO3-}) \to +2\ (\ce{NO}) \\ \text{H} &: +1 \to +1 \\ \text{O} &: -2 \to -2 \end{aligned}
  2. 判断氧化和还原。 Cu 氧化数升高,失去电子,被氧化;NOX3X−\ce{NO3-} 中的 N 氧化数降低,得到电子,被还原。H 和 O 的氧化数不变。

  3. 检查得失电子守恒。

    失电子:3×2=6得电子:2×3=6\begin{aligned} \text{失电子} &: 3 \times 2 = 6 \\ \text{得电子} &: 2 \times 3 = 6 \end{aligned}

    3 个 Cu 各失 2 个,2 个 N 各得 3 个,相等。

  4. 为什么不生成 H₂。 生成 HX2\ce{H2} 需要 HX+\ce{H+} 得到电子(+1 → 0),但 H 的氧化数没有变:得到电子的是 NOX3X−\ce{NO3-} 中的 N。HX+\ce{H+} 只是提供酸性环境,最后和 O 结合成水。

练一练:这是哪一类反应?
  1. 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃
  2. HNO₃ + KOH → KNO₃ + H₂O
  3. CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl
  4. Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑
  5. NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
  6. 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑
  7. Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O
  8. Sr²⁺ + SO₄²⁻ → SrSO₄↓
  9. C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O
  10. Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O
  11. HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂↑
  12. CuO + H₂ → Cu + H₂O

常见误区

误区 1:“反应中有 H 原子转移,就是酸碱反应。” 酸碱反应转移的是 H⁺,没有元素的氧化数变化。2 HX2+OX2→2 HX2O\ce{2H2 + O2 -> 2H2O} 中 H 由 0 变成 +1,这是电子转移,属于氧化还原反应。

误区 2:“两种反应物生成一种产物,就是沉淀反应。” 沉淀反应是溶液中的离子结合成难溶的固体。NHX3+HCl→NHX4Cl\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl} 生成一种产物,却是酸碱反应;2 Mg+OX2→2 MgO\ce{2Mg + O2 -> 2MgO} 是氧化还原反应。

误区 3:“方程式里有离子,就是复分解反应。” Zn+CuX2+→ZnX2++Cu\ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} 里有离子,但有元素的氧化数变化,是氧化还原反应。判断类型要看转移了什么。

即时小测

稀硝酸和铜反应:3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻ → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O。下列说法最好的是?

2Mg + O₂ → 2MgO 是化合反应。它也是氧化还原反应吗?

NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s) 属于哪一类反应?理由是什么?

在 Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O 中,下列说法正确的是?

H₂SO₄ 溶液和 Ba(OH)₂ 溶液反应,生成 BaSO₄ 沉淀和水。这个反应属于?

对于 2H₂ + O₂ → 2H₂O,一位学生说:“H 原子从 H₂ 转移到了 O 上,所以是酸碱反应。”下列评价正确的是?

AP 自由作答题

AP 风格自由作答题

考虑下面三个反应:

反应 ①:

Zn+2 HCl→ZnClX2+HX2↑\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}

反应 ②:

NaX2COX3+2 HCl→2 NaCl+HX2O+COX2↑\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O + CO2 ^}

反应 ③(PbCl₂ 难溶):

Pb(NOX3)X2+2 NaCl→PbClX2↓+2 NaNOX3\ce{Pb(NO3)2 + 2NaCl -> PbCl2 v + 2NaNO3}

(a) 判断每个反应属于酸碱反应、氧化还原反应还是沉淀反应,并说明理由。

(b) 对反应 ①,写出发生变化的元素的氧化数,指出氧化剂和还原剂。

(c) 一位学生说:“反应 ② 生成了气体,所以是氧化还原反应。”评价这个说法。

(d) 写出反应 ③ 的净离子方程式。

参考答案与评分要点

(a) ① 氧化还原反应:Zn 和 H 的氧化数变了。② 酸碱反应:H⁺ 转移给 CO₃²⁻,生成的 H₂CO₃ 分解为 H₂O 和 CO₂,没有元素的氧化数变化。③ 沉淀反应:Pb²⁺ 和 Cl⁻ 结合成难溶的 PbCl₂,没有电子或质子转移。

(b) Zn:0 → +2,被氧化;H:+1 → 0,被还原;Cl 都是 −1。氧化剂是 HCl(其中的 H⁺),还原剂是 Zn。

(c) 说法错误。生成气体不能说明发生了电子转移。反应 ② 中 Na(+1)、C(+4)、O(−2)、H(+1)、Cl(−1)的氧化数都没有变,所以不是氧化还原反应。

(d) PbX2++2 ClX−→PbClX2↓\ce{Pb^2+ + 2Cl- -> PbCl2 v}

评分要点: (a) 三个判断各有理由;(b) 两种元素的变化和氧化剂、还原剂;(c) 指出用氧化数判断,并逐一核对;(d) 净离子方程式。

小结

  • 酸碱反应转移质子,氧化还原反应转移电子(有元素的氧化数变化),沉淀反应生成难溶的固体。
  • 燃烧、单置换都是氧化还原反应;化合、分解可能是,也可能不是;复分解一般是沉淀或酸碱反应,也可以两者都是。
  • 歧化反应中同一种元素既被氧化又被还原。
  • 判断类型要写出“转移了什么”,并用氧化数检查;“有 H 转移”“只有一种产物”“有离子出现”都不是理由。

AP 提示: 选择题常给出“结论 + 理由”。先用氧化数判断是不是氧化还原,再看有没有质子转移或难溶物生成;最后检查选项中的理由是否真正说明了这一类反应的本质。

练一练这一章:Unit 4 · 化学反应 · 12 道题练一练这个 topic:U4.7 · 化学反应的类型 · 5 道题

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