争夺电子之战——氧化还原反应

    与人类历史上由于物资和能源的分布不均而不断发生的纷争类似，充满着化学变化的分子共和国中不同分子间的“弱肉强食”也在时刻上演着。不同分子之间力量的悬殊使得质子、电子等微粒在不同物种间重新分配，分配的结果又导致了各方力量的此消彼长、变化轮回，最终使这些纷争趋于一种暂时的稳态，直到这种稳态被打破、迎接新的变化。伴随着质子、电子等这些微观粒子在不同物种间的“游走”，那些蕴含在物质内部的能量也在暗潮涌动，或发光、或放热、或产生电流、或轰轰隆隆地参与到人类历史的历次纷争中……

    中学化学在谈及化学变化时最多涉及到原子核外最外层和次外层电子（价电子）的运动变化，电子的运动变化若用图示、符号等方式进行描述将会异常繁琐，在我们熟悉了用一些简单的化学用语，如化学方程式或离子方程式来描述宏观物质的化学变化时，自然也希望能有一个适当的符号工具来方便地描述反应中电子的运动变化过程，这就是“化合价”。

    十年前，我还在准备教师资格的测试，最后一个环节是抽签试讲某节课的一个片段，正巧抽到“氧化还原反应”这节课，窃喜，一来是因为熟悉，熟悉的原因可能是这一概念重要和常见，二是因为在正式成为一名教师前，对这节课的设计曾与一位师姐有过交流。师姐问我教材中为什么从“得氧”和“失氧”的角度开始介绍，这个问题的答案无非是“便于初高中衔接”、“符合学生认知规律”之类的套话。然而在我后续若干年的教学实践中，我发现周围的前辈们几乎没有一个人从这个角度来引课。在我当时试讲过后的答辩环节中，评委老师的一个问题极大地触动到了我：“你能不能说说什么是化合价？”我调出脑袋里所有的存货，发现似乎很难去给化合价下一个定义。当年那个时间我正在准备博士论文答辩，当时的思维习惯是但凡与基本概念相关的一些论述我可能都会非常谨慎，生怕哪个词或哪句话的描述不够准确和严谨，但是针对评委老师的发问，我只得采取“解释说明”的方式进行回答。事后，仔细对概念进行分辨，我发觉原来是中学化学的教学中并没有对“化合价”和“氧化数”这两个概念进行区分，以致时而会产生混淆。以有机物为例，碳元素均为四价，然而从分子式看其“平均化合价”（即氧化数）时却往往不为四。中学教科书中介绍“化合价”这一术语也许是考虑到教师的知识传授和学生的认识发展存在阶段性，也许是其它什么方面的原因。作为一个即将参加博士论文答辩的研究生来说并没有漂亮地回答出这一基本概念的问题，我在想根源何在？虽然，结果好像是并不会影响到我们对氧化还原反应的教学或学习。

成为教师后的几轮实践中，我依然规规矩矩、按部就班地去向学生灌输氧化还原反应的概念体系，但是对“什么是化合价？”、“为什么非要在氧化还原的教学中讨论化合价”等诸多问题始终留在心底，试图有所突破、有所设计，让学生能够自自然然地接受这一新概念。既然念念不忘，就从“什么是化合价？”这一发问开始这一轮氧化还原反应的日常教学吧。

从我读中学时至今，人教版教材对氧化还原反应中电子转移情况的说明都是借助于氯化钠和氯化氢这两个典型物质、并结合原子核外电子排布图进行展开的，可我始终感觉不妥、或者说不完整。氯化钠或氯化氢的形成从两种单质的反应开始应该是学生更熟悉的，直接从原子结构入手来讨论似乎没有说清楚一件事——具体物质的得失电子能力和原子的得失电子能力是不同的。所以，我设计的问题是：氯化钠是如何通过单质化合而成的？

在一个化学反应中，首先要让学生理解到原子是如何“产生”的，这样应该更真实些，为了回答这一问题，少不了物质结构方面知识的铺垫。在“物质分类”部分，我已经有意识地使学生认识到了常见物质的微观组成：金属钠是由钠原子组成的、氯气是由双原子分子组成的、氯化钠是由钠离子和氯离子组成的。其实，在由单质生成氯化钠的反应中，金属晶体、分子晶体和离子晶体都已经出现了，此处虽无需系统地讲述晶体类型的相关知识，但却可以用模型或图示的方式将晶体结构展示给学生，使学生较为感性地认识到晶体或分子“破裂”为原子和阴阳离子形成晶体的过程。另外，氯化钠的这个结构模型学生其实已经在“离子反应”一节有了较为深入的认识。按照图示或模型对反应的微观过程（非机理）进行描述，学生不仅明了了物质的变化，可能也理解了反应为什么需要加热，化学键的概念呼之欲出，但可以不在此处展开。

与以往不同的是，这一轮我没有用氯化氢的例子，改用了水分子，有以下一些考虑：首先，学生对水分子是非常熟悉的，初中时已经学习了水分子的组成和结构（分子形状）；其次，“离子反应”一节，讲到氯化钠溶于水的过程时，我们对水的结构及性质（极性）又做了深入的讨论；第三，与氯化氢相比，水分子中的氧原子周围有两对共用电子对，这对于学生理解共价化合物中元素的化合价来说也是更好的选择。

我们在讨论氯化钠和水分子的形成时自然要结合“8电子稳定结构”的规律，但在形成稳定结构之后，结合化合价对这些结构的认识可能才是理解氧化还原反应时更为重要的。反应前，氢分子和氧分子中元素的化合价都是0，其含义是电子对为各自分子中的原子公平地共用。水分子中氧为什么是二价？是因为氧周围有两对共用电子对；为什么是负价？是因为氧原子对电子对的吸引能力更强一些，就好像是它得到了两个电子，对电子对的共用不再公平，所以用化合价这个简单的符号就说明了微观上的这种情况。上述第一个问题发展下去甚至可以触及到共价键的饱和性等问题。

这样的设计也有利于让学生认识到，宏观物质得失电子的能力并不是直接表现出来的，可能需要先从分子变为原子，但分子是相对稳定的，要想变成活泼的、容易得失电子的原子，分子是需要能量的，这就解释了为什么一些氧化还原反应的发生需要借助于外界条件，再往深了说，就会关联到化学反应原理的相关知识，此处可以有适当的、思维（非知识）层面的铺垫。

最终，我还是没有给化合价下一个准确的定义，因为定义越准确，描述就越繁琐，问题可能就越多，不如换一种轻松的方式去说明化合价的意义。但是，教师必须明确“化合价”与“氧化数”的区别和联系。

老教师们在备课时经常会说某节课的教学属于“概念教学”或“实验教学”或是其它。我的体会是，概念教学必须注重概念的生成性，或者说设计的过程性，尤其是隐含在过程中的学生思维的发展线索，至于概念本身不过就是个名字或叫法罢了。概念的生成需要教师真实而自然的设计，同时也要有严密的逻辑体系，离子反应和氧化还原反应的教学都有这样的特点，为了得出这两个概念，前期做了大量的铺垫，试图引导学生从他们积累的有限的事实或背景知识出发，通过推理、实验、模型等方法逐渐确定和完善概念本身。如果这类课的起点处就给出学生一个生硬的概念、直接奔赴终点，那将一定是不合适的，也会浪费掉大好的、大量的教育契机。

    对于新概念学习和掌握的第一个水平一定是“辨识记忆”。课堂上我给出了十个具体的反应，请学生快速判断哪些是氧化还原反应、哪些不是，学生借助于化合价这个工具很好地完成了这一任务，爱思考的孩子们同时也已经有了一种意识——建立化合价这个符号与微观上电子转移情况的一种关联。

    氧化还原反应既然是一个大的概念体系，那么在这个体系中具有相同运动或变化行为的微粒必然也遵循着相同的运动或变化规律，理应分类进行认识、分析和讨论，将看似五花八门、数不胜数的反应们统一起来。分类之后就是命名了，就像水溶液中酸、碱、盐的分类和命名一样，要寻找共性。比较麻烦的是，对于酸、碱、盐，我们从电离方程式或者从组成物质的化学式符号中我们就可以方便地找到共性，但氧化还原反应中不同物质得电子或失电子的共性却无法直接看到，所以对具有相似变化行为的微粒，必须借助于化合价进行命名。

    列举一氧化碳还原氧化铜的例子，按照习惯、引导学生先标出变价元素的化合价。接下来，PPT中这些短语的呈现是有顺序和逻辑的。

第一步，下定义：得电子的微粒叫做氧化剂、失电子的微粒叫做还原剂。强调这是最根本的一种规定（不为什么），我们教学或学习的目标一定是先让学生牢固并准确地建立起最本源的概念，不要被所谓的“口诀”或技巧混淆了头脑。

第二步，让学生明确得电子的行为叫做氧化性、失电子的行为叫做还原性，所以从定义来看氧化剂具有氧化性、还原剂具有还原性。随后用线条圈出这一概念的本源，以示强调。

第三步，逻辑推理：借助于化合价分析，由于电子带有负电荷，所以（氧化剂）得电子价态降低，随后变成其对立面——被还原成还原产物、发生还原反应；（还原剂）失电子价态升高，也变成了其对立面——被氧化成氧化产物、发生氧化反应。

最后，反观这一概念体系的建立过程，使学生体会到其中充满着对立统一的意味。 

    上述这些步骤的实施是教师对氧化还原反应概念体系建立过程的一种解读，从学生对新概念的认知过程来说是不能省略的，否则学生的思维势必要经过一个漫长的、混乱的状态，直到经过大量的积累和训练后才能明晰。然而，单纯对概念的解读也不能代替适当的训练和强化，但是经过概念的解读后再进行训练，学生的逻辑思维在起点处就一定是清晰的。

我在中学学习氧化还原反应时似乎只记住了一句话：化合价升高被氧化。后来，一位同事也说这句话最管用，仔细想想，之所以我们在经过训练后留下的都是这句话，可能是因为它本身较为简单，从这句话出发容易进行快速的逻辑推导，也可能是这句话将化合价（符号）与概念名称之间快速建立起了对应关系。

但我还是不太情愿直接教给学生两句“口诀”，希望将学生已经理解的概念间的逻辑关系模型化，这样学生在大脑中调取信息时会更加形象。这一轮教学中我发现，我们常常谈及的“宏-微-符”三重表征在氧化还原反应概念体系的学习中同样可以发挥价值，从这样的角度去理解和记忆“口诀”也会更科学。氧化剂和还原剂是“宏观”物质、得失电子是“微观”本质、化合价升降是“符号”表达，这三种表征方式中知其一即可推导出其它，推导过程严格遵守原始概念对立统一的构建过程。

无论是左右对照、还是上下对照时，氧化与还原对立、升高与降低对立、得与失对立，主动关系与被动关系对立，这些所有的“对立”最终都统一在一个具体的氧化还原反应当中。当学生们再念起PPT中两句“口诀”的时候，再也不是生硬地、机械地记忆了，无论面对多么复杂的氧化还原反应，眼中有符号、胸中也自有丘壑。

    第一轮教学时，为了追求新奇，我曾给学生展示过一副对联：升失氧氧还还氧、降得还还氧氧还，横批“氧化还原”，现在看来，类似这样的“口诀”除了能让学生感受到对立统一外，概念间的逻辑关系并不清晰，再也不给学生介绍了。

    第一次尝试没有设计过多的学生活动、没有做游戏、没有打比方，将概念体系中各个要素间的逻辑关系一次性讲透彻、现场请学生完成所给氧化还原反应中“两剂”、“两产物”的判别，效果挺好。总体的感受是，概念教学必须回归概念的本源——氧化剂就是得电子的那个物质、还原剂就是失电子的那个物质，然后从源头开始细细地梳理逻辑，我们眼中直接看到的是价态的变化，但头脑中必须快速对应出电子的得与失，最高境界是今后看到某个物质时就能条件反射式地认出这是还原剂、那是氧化剂，就像我们看到了一位熟悉的老朋友那样，不需要像刚认识时慢慢地了解，瞬间就能说出他有哪些性格特点。

氧化还原反应与初中时所学四大反应类型间的关系，一笔带过即可。学生认识到，对物质和反应的分类依据也从初中时的表象逐渐变为本质。其实，这也符合人类对物质世界的认知规律，人教版教材“科学史话”栏目中将人类对氧化还原反应这一概念的认识和发展过程进行了介绍。从中可以看出，最接近本质的那个概念往往需要我们从物质结构的层面去理解，19世纪末、20世纪初人类对物质结构奥秘的探索也必然影响到了氧化还原新概念的建立。

快速建立起化合价升降与得失电子间的关联是从学习氧化还原反应到应用这类反应解决实际问题的有力工具和必经之路，但是对初学者而言，用简单的图示或符号去描绘出电子转移的方向和数量会更加直观，也便于学生进行自主学习和分析，于是便有了“单、双线桥”的表示方法。双线桥法表明了转移电子前后反应物的变化情况，单线桥法则突出反应物之间电子的交接情况，各有千秋。

    单、双线桥的价值还需要进一步挖掘，面对物质种类丰富、价态变化多样的氧化还原反应体系时，这一工具将会向我们清晰地描绘出错综复杂的电子转移情况。课上，以过氧化钠与二氧化碳的反应为例进行分析，也为后续学习过氧化钠的性质做好铺垫。

    对于这类反应，学生产生的困惑是价态升降的途径是怎样的，因为反应中氧元素出现了三种价态，可满足价态有升有降的方式不止一种。为了便于分析，板书或PPT中采用了图解的方式，将反应物、生成物按照氧元素价态由低到高的顺序依次排列，然后容易发现，价态降低的路径只有一条，从过氧化钠到碳酸钠，但是价态升高的路径可以是二氧化碳到氧气、也可以是过氧化钠到氧气。我们应该作何选择？中学阶段我们还无法从电极电势（图）、吉布斯自由能等角度去给学生做出相应的解释，我采取了打比方的方式。由于反应进行的方向最终一定是由吉布斯自由能的变化量ΔG决定的，而ΔG与原电池反应的电动势（两极的电极电势之差）、平衡常数之间都存在着定量关系，所以我们不妨从类似能量变化的角度去进行路径的选择。从−2价升高到0价相较于从−1价升高到0价可能更“费劲”一些，就像爬楼梯一样、需要爬得更高，那就更难；另外，−2价到0价的路径本就重复性地包含了−1价到0价的路径；还有，反应前后−2价的氧元素原本都是存在的，就没必要“折腾”了。其实，选取什么样的路径就对应什么样的电对和电极电势，最终影响到反应的ΔG。

这样一来，学生可以接受，价态升高的路径应该是从过氧化钠到氧气。再来细数一下其中的原子守恒和电子守恒关系，不难发现，二氧化碳并没有参与氧化还原反应，其中−2价的氧直接遗传进入了产物碳酸钠中，而过氧化钠中四个−1价的氧有两个价态升高到0价、另外两个降低到−2价，清清楚楚！此处，不妨引导学生积累和熟悉一些常见物质的性质，二氧化碳并不是一个典型的氧化剂或还原剂，它的作用类似酸性氧化物、帮助过氧化钠成盐，而过氧化钠这个物质是不安分的，与过氧化氢类似，自己就可以实现得失电子的统一，追求氧元素较为稳定的价态，0价和−2价。

层层剥离，反应分析完了，可是以后如果再遇到类似的情况，自然不能总是采用这样繁琐的方法进行讨论。从适才用于分析的图示中可以发现，价态升高的两种可能路径与价态降低的路径间一种有线条间的“交叉”、另一种是没有的。有交点的路径并不代表最终电子转移的过程，因此，今后我们对于这类同种元素出现多种价态的反应体系，只需在数轴上进行相应的讨论即可，最终选定反应路径遵循的原则是“化合价升降（路径）不交叉”，但一定要了解这其中是由能量关系决定的，不然学习又成了死记硬背、不求甚解。

氧化还原反应概念建立伊始，我们就明确了这类反应的本质是反应过程中存在着电子的转移，还原剂将电子转移给了氧化剂，那么电子守恒的观念或者规律是容易理解的，“电子有得必有失、得失必相等”，与之对应的是“化合价有升必有降、升降必相等”，这是从反应本质出发产生的一种正向思维。但是这样的规律能帮助我们解决什么问题？为什么一定要强调其中的等量（守恒）关系？这是由于电子转移的多少与氧化剂和还原剂的量是直接相关的，在电子守恒规律的支配下，氧化剂与还原剂的用量或比例必然是确定的。更为深远的意义是，凡与这些等量的电子进行交易的场所中的物质都将建立起定量的关系，这些场所可能是相同的、相邻的，也可能相距甚远，不怕，联系是普遍存在的！

关于守恒规律教学的初步设计，我从两个方面展开。

第一，请学生在几个较为复杂的反应中标出单、双线桥，同时体会其中电子转移的守恒关系，更为细致的考虑是，选取过氧化氢这一物质使学生体会它的两面性、选取氯酸钾和盐酸的反应使学生巩固同种元素多种价态时电子转移的路径、选取硝酸和硫化亚铜的反应使学生体会当氧化性或还原性微粒不止一种时，其间比例关系对电子转移数量的影响。

第二，对电子守恒规律最为重要的应用自然是方程式的配平。这一轮我的体会是方程式的配平虽然说历来都是教学的重点，但千万不能孤立地去讲配平，更不能一上来就逐条地告诉学生配平的方法和步骤。时刻都要让学生认识到，配平是电子守恒和元素守恒规律的必然要求，我们所做的一切都是为了一个目的，使反应中得失电子的数量相等，配平的方法和步骤不是机械的。

学生会问：得失电子数为什么要找最小公倍数？

答：可以不是最小公倍数，只需得失数相等

学生又问：相等等于多少？

答：等于多少都可以！

学生回去一试、豁然开朗，如果不是最小公倍数，最终的方程式系数需要约分。

学生问：归中反应为何“从前向后”配、歧化反应为何“从后向前”配？

答：归中反应的生成物和歧化反应的反应物身兼两职

然后引导学生从配平后的方程式中分析，这些身兼两职的同一物质中，每种身份的比例是多少。

    硝酸铵在一定条件下发生的分解反应为什么归为归中反应？根据数轴分析可知电子转移的路径是−3价和+5价的氮原子都变为了0价，那么铵根离子的系数应该定为5、硝酸根离子的系数应该定为3，学生需要考虑，作为一个整体的物质，硝酸铵的系数写5还是写3？初学配平时，这是一个很好的例子。

    元素价态部分发生改变的氧化还原反应中，要引导学生加强对物质性质的多重认识，或者说从交叉分类的角度对物质进行再认识。

比较重要的是氧化还原型离子方程式的配平。重要的理由不是考试爱考，是因为这类反应中体现着多重的守恒关系，可以帮助我们从多个角度完成与定量研究相关的问题，这些自然就成了考试的重点。实际操作中，这些守恒关系间是有逻辑关系的，既然是氧化还原反应，那么电子守恒的配平自然是第一要紧的，因为电荷守恒和元素守恒很容易从形式上实现。在满足了电子守恒基础上的电荷守恒和元素守恒才是有意义的。

虽然在某些时候元素守恒的方法是快捷的，例如，PPT中二硫化亚铁和氧气的反应，但是某些元素（原子）看似已经守恒的反应，电子却未必是守恒的，例如PPT中过氧化氢与酸性高锰酸钾的反应。所以，我们不妨将这种配平的顺序称为氧化还原反应配平的“黄金法则”，其用意是提醒学生氧化还原反应配平这件事要先抓主要矛盾。

    我们习惯于将氧化还原反应的价态规律总结为一句朗朗上口的话：高价氧、低价还、中间价态两边转。前人的智慧还是很闪亮的，这句话非常简洁地为我们揭示了价态规律的内涵：含有较高价态元素的物质具有做氧化剂的可能性，含有较低价态元素的物质具有做还原剂的可能性。教学时，不妨先为学生梳理其中的逻辑关系，含有元素最高价态的物质，这一价态无法继续升高了，也就是不能再失去电子了，那么只能去得电子，因此只能做氧化剂，对还原剂的分析类似。含有某种元素中间价态的物质可以“化合价升高被氧化”，也可以“化合价降低被还原”，同时具备了做还原剂和氧化剂的双重可能性。必须指出的是，我们需要反复强调其身份的可能性，而非必然性。氯化钠中的钠元素和氯元素分别代表元素的最高和最低价态，可氯化钠这种物质却不是典型的氧化剂或还原剂。因此，价态规律更为重要的意义是为我们寻找氧化剂和还原剂指明了可能性，其必然性还需要实践的检验。

依据价态规律的内涵，我引导学生从价态和物质组成的角度对常见氧化剂、还原剂的类别进行了梳理。

氧化剂的常见类别有五类，前两类依据金属元素进行分类、第三和第四类依据非金属元素进行分类，分别都包含简单微粒（金属离子或非金属单质）和复杂微粒（含氧酸根）两种，第五类是中学阶段常见的氧化性的、含中间价态元素的物质。

还原剂的常见类别有四类，前两类依然是按照非金属和金属进行分类，第三类对应金属冶炼的热还原剂，最后一类最为重要，属于还原性的、含中间价态元素的物质，中学阶段最典型的代表就是+2价的铁和+4价的硫，一旦给出，就请学生按照物质类别的顺序，氧化物、酸、碱、盐，列出对应的常见物质。

    为什么在此处要进行这样的设计？理由如下：第一，氧化剂和还原剂本就是从得失电子的角度对常见物质进行的再分类，对它们各自类别的进一步细分有助于学生有序地认识常见的氧化剂和还原剂，不再凌乱，也便于后续对强弱规律的系统学习。第二，对氧化剂和还原剂的分类会使未来对元素化合物模块知识的学习更加系统，经过几轮的实践之后，我的这种感觉愈加强烈。例如，我们在讲授Fe3+的氧化性时，如何使学生全方位地感知其性质？可以从上述四类还原剂中选取代表性物质，依次与Fe3+进行反应、实验验证，还可以对比同类还原剂与Fe3+反应时的差异性，了解其还原性的强弱。讲授SO2的还原性时，同样是有章可循的，从五类氧化剂中各找出一个代表物与SO2反应。往长远处看，学生学会的是一种研究物质氧化性和还原性的有序角度，而不再是一个一个独立的反应或实验现象。关于价态规律的具体应用，我们将在后续的课堂当中不断展现。

    考虑到初中阶段化学教学对某些问题的淡化以及其它一些现实问题，有必要对常见元素的化合价帮助学生进行梳理和总结。一些初中老师会为学生总结各类关于化合价的“口诀”，我们小时候也都是会背一些的，所以，化学中对于一些事实性知识的掌握，记忆是不可或缺的。我同样认为这和认识陌生人是一样的，不同的物质有不同的特点，不同的人有不同的脾气秉性，一个陌生的人或是化学物质出现在我们眼前时，增加见面的次数、多一些交流的机会，对于熟识他们自然是有利的。

高中阶段，一个更高的要求是要熟悉常见元素在不同酸碱性环境中的常见价态、存在形式，因为这是由物质性质决定的一种客观存在。从操作层面讲，方程式的书写和配平都离不开这一基本认识，尤其会影响到电荷守恒的配平。总结如下：

    前面的课中，我们按照物质类别从简单到复杂“进化”的顺序对含有同种元素的一系列物质进行了分类。对于物质种类繁多、彼此间联系错综复杂的化学学科的学习，学生已经初步感受到了分类这一工具的强大意义。对于化学变化中极为常见和重要的氧化还原反应，我们仍然沿用了分类的观念，试图从化合价高低的角度将各式各样的氧化剂和还原剂归为一统，而“高”或“低”恰好代表了两种类别的可能性。如此一来，对于常见物质的分类我们就有了至少两个有意义的角度。一，从组成方面形成的“物质类别进化线索”，这关系到不同类别物质间的反应规律、二，从性质方面形成的“元素价态发展线索”，这将直接关系到不同物质成为氧化剂或还原剂的可能性，以及不同价态元素间的反应或转化规律。

价类二维这一模型设计的出发点应该是基于这样的考虑，其本质是在新建角度下对常见物质的交叉分类，以利于我们对物质转化规律的清晰和有序的认识。价类二维模型在新课标、新教材中的明确呈现应当是这一轮新课改的一项重要成果。这一模型在过去数年教学实践中被广大一线老师们认可并发挥出巨大价值，充分说明我们对一些传统知识的认识角度是可以不断整合和提升的。

在这一部分的教学设计中，我以氮元素为例，引导学生做出了其“价类二维图”，意在为后续元素化合物模块的学习提供“总纲”：非氧化还原还原反应关注类别转化规律、氧化还原反应关注价态规律，以及基于“两剂”分类的氧化性、还原性探究。在这幅二维图的横坐标中学生看到了化学世界的对称之美，从单质这个类别出发，向左、向右依次发展为氢化物（NH3）和氧化物（N2O5），价态分别降低和升高，它们对应的水化物又分别变成了碱（NH3·H2O）或酸（HNO3），酸碱最终可统一在盐（NH4NO3）中。再看纵坐标，选取适当的氧化剂或还原剂有望使元素的价态升高或降低，实现图中纵向对应物质间的转化，中间价态的元素（NO2）有可能歧化为高（HNO3）、低（NO）两种价态，高、低两种价态的元素（NH4NO3）也可能归中为中间价态的具体物质（N2）。这样所有的可能性为我们研究具体物质的性质已经定好了方案、绘出了蓝图，只待我们去进行有序的实验探究。

氧化还原反应规律中最具魅力的我认为是强弱规律。什么是“强者”、什么是“弱者”，我们有必要首先做出界定。为了制取等量的氯气，可以有如下三种方法，这组反应的设计旨在让学生感受达到相同实验目的时的难易程度，显然用高锰酸钾做氧化剂是最容易的，与氧气和二氧化锰相比，高锰酸钾可以“不费吹灰之力”地从氯离子那里获得电子，其表象正是体现在越来越苛刻的反应条件上，通过外在的条件和反应的具体表现反映出内在争夺电子时物质能力的强弱。这是我们常用的一种研究方法。

所以，第一个问题，我们必须明确的是物质氧化性、还原性强弱的内涵。用老师们常说的话就是“得失电子的难易”，并非“得失电子的多少”。关于“难易”这个概念，在前面学习强、弱电解质的时候就已经做过交代，尤其是对碳酸两步电离的分析和解释，我们曾经从电荷效应的角度为学生进行了透彻的讲解，此处仍然借用碳酸的电离行为对氧化性和还原性的认识进行铺垫。

碳酸的两步电离看似一共可以给出两个氢离子，但它仍然是一个弱酸，氢溴酸只给出一个氢离子，却是一个强酸，醋酸能电离出一个氢离子、弱酸，所以，酸性的强弱与酸能电离出的氢离子的个数间并没有直接联系，必须从物质的组成和结构出发去理解该物质电离出氢离子的难易程度。如何理解？虽然我们可以用电荷效应有限地解释出碳酸电离出氢离子比碳酸氢根离子容易，但这种方法很难推广，因为缺乏物质结构的系统和深入学习。其实，这样的学习必须是逐步积累的，结构的学习不断促进我们对物质性质的理解，物质性质的深入研究也要求我们积累更多的结构方面的知识。这一轮新课改虽然加强了对结构模块的要求，但也并不是说中学结构化学模块的知识就可以回答所有物质性质方面的问题，因此，中学对于物质性质的学习更多的还是要借助于实验探究得出的结论，并加以适当的、有限的微观结构层面的解释。也就是说，常见物质的性质我们更多是通过实验探究后认识到的，需要记住、积累。

理解了电解质的强、弱，再来看氧化性和还原性的强弱就容易了。以金属活动性为例，金属钠非常活泼、还原性强，金属铝不如钠活泼、还原性较弱，但前者在反应中只转移一个电子、后者却转移了三个。浓、稀硝酸的氧化性可以在元素化学部分通过实验让学生感知它们与铜单质反应时的难易程度，此处可以给出事实，让学生进行解释说明，虽然浓硝酸在反应中只转移一个电子，但过程是“不费出灰之力”的，稀硝酸虽然能得到三个电子，却要花费“九牛二虎之力”，此处物质的结构相同，浓度对氧化性、还原性的影响也呼之欲出。

既然氧化性和还原性的强弱无法通过化合价、转移电子数目等表观性符号进行判定，就必须寻找新的出路，从实验探究的角度讲，一个可以被我们利用的事实是反应条件，在这一部分的引入环节已经做了说明。

另外一个重要的事实就是反应进行的方向，这一点的价值是可以进行深入挖掘的。无论是教师还是学生，如果不加以深入思考的话，可能会被一种机械的模式控制，我在读书时似乎就是这样的，在纸面上看到一个化学反应时，可以条件反射式的写出反应物的氧化性或还原性强于生成物，并止步于此。成为老师后，我必须去考虑其中的道理、并以一种通俗易懂的方式为学生讲清楚。道理是，随着反应的进行，体系的浓度、温度、酸碱性等环境可能不断发生着变化，这些变化直接影响到反应体系中电对的电极电势，同时也影响着反应物和生成物吉布斯自由能的不断变化，直到达成平衡，平衡时原电池反应的两极间不再有电势差，反应的ΔG为零。其实，梳理中学和大学基础化学的知识就不难发现，物质氧化性和还原性之所以与浓度、温度、酸碱性等条件相关，用能斯特方程式就可以给出定量的解释，而能斯特方程式的推导过程与化学平衡常数、反应的ΔG密切相关，大学物理化学课程中有严密的推导过程。这样一来物质的性质与反应的限度和方向间自然是有联系的。这个道理还不能直接给学生讲，我们需要换一种方式。

    当反应正在从左向右进行时，还原剂将电子不断地交给了氧化剂，还原剂变成了氧化产物、氧化剂变成了还原产物，前者是失去电子后的产物，自然就具有了得电子的一种愿望（趋势）、后者就有了给电子的愿望。随着反应的进行，反应物的浓度不断降低、生成物的浓度不断升高，这就意味着那些原本能得到电子的氧化剂和能失去电子的还原剂的得、失电子能力在不断的衰减，而生成物中具有得、失电子趋势的物质相应的能力却在不断的积累和提升。这两种力量此消彼长，就像拔河比赛一样，看反应物和生成物的双方谁更容易把电子拉走，那么反应就会朝着相应的方向进行。最终，反应“停”了下来，其本质是双方对电子的转移能力达到了势均力敌。此刻，有两种可能性：第一，反应“停止”时，反应物已经所剩无几，绝大多数都变成了生成物，这说明，浓度极低的反应物就可以和高浓度的生成物进行较量与抗衡，达成势均力敌的结果，那么在前期的反应过程中，反应物的氧化性、还原性自然是比生成物强大的，反应最终表现出了极高的限度（不可逆性）。第二，反应“停止”时，反应物和生成物都还保留有可观的浓度，双方僵持不下，这说明反应物和生成物的氧化性、还原性原本就相差不大，可以想象的是，在双方“停战”时，通过改变浓度的方式人为地增强一方的力量，那么这种僵局一定会被打破（平衡移动）。

这样的解释，学生完全是可以接受的，我在教学实践中已经进行了数轮的尝试。这样的解释背后还有太多可以引发学生认识发展的教育契机。首先是对于氧化性、还原性概念的深入理解。变化中两方力量的此消彼长使学生认识到要用变化发展的眼光看问题，“力量”这件事情绝不是一成不变的，没有永远的强者或弱者，外界条件改变时强弱转化也是有可能的。其次，物质的性质是决定反应进行方向的根本动力。主宰反应进行方向的不是我们人类、也不是浓度或温度等人为可操作的条件，这些条件改变的结果是导致物质性质发生了改变、甚至翻转，而对于这一规律的逆向应用，才是我们常说的反应物的性质强于生成物的性质。第三，老师们肯定意识到了，上述对氧化还原反应再认识的过程已经不可避免地涉及到了反应的限度、可逆反应、平衡的移动等问题，为后续化学反应原理部分的教学埋下伏笔。最后，可以引导学生进一步思考，氧化还原反应中的强弱关系如是，其它类型的反应呢？总之，氧化还原反应的强弱规律内涵满满，值得教师进行充分的挖掘！

然后是规律的具体应用，给定一些学生较为熟悉的反应，学生可以根据反应进行的方向迅速判断出给定条件下物质性质的强弱关系，相信有了前面的铺垫，学生分析这类问题时一定会多了一些思考。这些具体反应的给出需要设计，为后面元素化合物部分的学习提供方法支持。

第一组反应与金属相关，从金属活动性顺序表出发，学生容易列出常见金属的还原性强弱顺序，对应离子的氧化性强弱顺序可以直接按照“对立统一”的原则列出。例如，银单质不活泼、不容易失去电子、还原性弱，那么当它好不容易失去电子、变成银离子后，银离子就具有了较强的得电子的能力，即较强的氧化性。较为重要的是，通过给出与Fe2+相关的反应，使学生明确这一序列中Fe3+氧化性的位置和对应Fe2+还原性的位置，这一点对于未来学习铁元素的相关知识是非常重要的。

上面的排序是通过三个具体反应完成的，这个顺序得到之后却可以实现由此及彼、从特殊到一般的演绎。在图示中，代表两方较强力量之间的连线，总能对应着一个氧化还原反应的发生，生成物恰好是反应物“对面”的那个物质。这样一来，一共有六条线，我们至少预测出了三个新反应的发生。这种工具的力量显然是强大的，因为“预测”早就被认同是研究化学变化的重要方法，一些重要和基本概念教学的起始课中理应帮助学生建立这样的方法论。

2017年高考北京卷实验探究问题的主题是“过量铁粉与硝酸银溶液的反应”，正是考虑到了这幅图中最远端两种微粒间的反应。因为图中其它连线处的反应在初中和高中阶段都已经进行了明确的探究。看来“预测”不止于知识本身，还有命题和研究的方向。

第二组反应与非金属相关，通过给定的反应事实（方向），学生排列出了常见卤素单质氧化性和对应离子还原性的强弱顺序，重要的依然是Fe3+氧化性和Fe2+还原性的位置。图示的用法与前面完全相同，课堂上也不再赘述。

    必须特别强调的是PPT中最下面的一行话，既然前面讲到要用变化发展的眼光看问题，就没有永远的“强者”和“弱者”，那么根据反应事实所排列出的顺序就一定是有条件的，条件改变，这些顺序自然也要随之发生变化。再一次嘱咐学生，千万不要“背化学”，化学最大的魅力就是“变化”，变与不变之间，才为人类对变化的各种控制提供了无尽的可能。

    下面是学生很熟悉的例子，很好地说明了这一点。两个不同的反应中，前者铁单质的还原性强于氢气、后者发生了翻转。还是两个不同的反应，前者，过氧化氢“遇弱则强”、毫不留情地抢夺了碘离子的电子，后者，过氧化氢“遇强则弱”，面对更加强大的高锰酸钾，它也只能“束手就擒”、乖乖地交出电子，反倒成了还原剂。事实总结如下：物质氧化性或还原性的强弱以及强弱关系不是绝对的。“强弱”是指孤立地看每一种物质，这种物质的“强”或“弱”随着时间或空间的变化也会随之改变；“强弱关系”是指对比来看，在一种环境中的强弱关系到了一个新的环境中有可能发生翻转。所有这些“强”或“弱”的出发点均来自于物质天生的遗传密码——组成与结构，然后才是外界条件的影响，因为哲学原理告诉我们，外因通过内因而起作用，就像金属钠天生就是个还原剂，想要通过外界条件的改变增强其氧化性，几乎是做不到的。只有当内因确定，即反应物的组成和结构确定后，讨论外因的影响才是有意义的。

    中学阶段我们常讨论的外因于氧化还原反应而言无外乎是浓度、温度和酸碱性。为什么经常只讨论这几个？我们想想能斯特方程式就明白了，实际上，近年来全国各地的高考题和模拟题中，以能斯特方程式为出发点对强弱规律进行的命题已然成了一个焦点。大学知识直接下放式进行的命题或考查是不太高明的，然而基于大学知识，将考查转向学生思维水平和认识的发展才是技高一筹。最典型的案例就是2015年高考北京卷实验探究问题，一个题的出现引发了后续几年间教师在教学、命题、认识等多个方面的改变。所以，此处我们绝不会去讲能斯特方程式（但作为老师，必须心知肚明），一个小小的例子就可以承载所有的影响因素，毕竟中学阶段对氧化性、还原性学习的要求只停留在定性阶段，而酸碱反应和沉淀反应都是有平衡常数可以定量的。

    这个例子是铜单质和浓硫酸的反应，提供给学生的三个事实分别说明了浓度、温度、酸碱性对物质氧化性和还原性是有影响的。甚至可以追问，这些因素对氧化剂氧化性和还原剂还原性影响的程度是否相同？有没有可能将“统一”了的氧化和还原两个反应“独立”起来、分别进行研究？此处为电化学部分双液电池的价值埋下伏笔。

氧化还原反应无处不在，这是因为地球表面充满着氧气的氛围，在海洋和地壳中也存在氧元素参与的物质循环。氧化还原反应是生命中的基础反应，它所带来的物质的和能量的变化是历史上生产力发展和生产关系进步的重要推动力，它更是现代社会中材料、信息、能源等支柱产业得以革新的根本。

氧化还原反应的概念教学不仅要使学生看到这类反应的巨大价值，更应该使他们深刻地认识到化学学科严密的逻辑体系和科学的、多维度的研究方法，真正发展他们对于化学反应本质的认识。曾有同学“异想天开”，把表示氧化还原反应的单线桥看作是一条导线的话，微观上是不是存在着电子的定向转移（电流）？将这样的思考留作为原电池部分教学而设计的一个悬念吧，鼓励孩子们大胆的猜想！

变化不止、纷争不断，弱肉强食皆为电子；

水满则溢、月盈则亏，变化轮回谁主沉浮？

强弱于力、胜负于理，得失之间格局已定。