2.3 第2课时 氧化剂和还原剂
【学习目标】
1.通过学习具体的实例识别常见的氧化剂和还原剂,理解氧化性、还原性强弱与价态及电子转移的关系。
2.通过学习能够对生产、生活中常见的氧化还原反应加以分析,熟练掌握氧化还原反应的判断方法。
【自主预习】
一、氧化剂和还原剂
1.用“双线桥”法表示下列反应的电子转移,并描述物质变化与化合价变化及电子转移的关系
(1)Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
(2)Fe2O3Fe:Fe元素化合价 , 电子,发生 反应。
COCO2:C元素化合价 , 电子,发生 反应。
2.氧化剂和还原剂的相关概念
项目 氧化剂 还原剂
概念 在氧化还原反应中,所含的某种(或某些)元素化合价 的反应物 在氧化还原反应中, 所含的某种(或某些)元素化合价 的反应物
发生的反应 反应 反应
具有的性质 性 性
对应的产物 产物 产物
举例 高锰酸钾、氧气、氯气等 活泼的金属单质、SO2等
3.常见的氧化剂和还原剂
分类 实例
常见 氧化剂 活泼的非金属单质 、S
某些阳离子 H+、Ag+、Fe3+、Cu2+
含较高价 态元素的 物质 某些含氧化合物 、H2O2、Na2O2
氧化性酸
某些盐 、KClO3
常见 还原剂 活泼的金属单质 、Na、Mg
非金属单质 、P
含较低价 态元素的 物质 某些氧化物 、SO2
还原性酸 HCl、H2S
某些盐 KI、Na2S、FeCl2
二、物质的氧化性和还原性
1.氧化性和还原性
(1)氧化性:氧化剂所表现出的 的性质。
(2)还原性:还原剂所表现出的 的性质。
2.物质的氧化性及还原性与核心元素化合价的关系
核心元素化合价 实例 性质
最高价 KnO4 eCl3 浓HO3 浓H2O4 只有
中间价 O2 eSO4 既有 又有
最低价 a K 只有
3.氧化性、还原性强弱比较
(还原性强) (氧化性强) (氧化性较弱) (还原性较弱)
氧化性:氧化剂 氧化产物;
还原性:还原剂 还原产物。
【参考答案】一、1.(1)
(2)降低 得到 还原 升高 失去 氧化
2.降低 升高 还原 氧化 氧化 还原 还原 氧化
3.Cl2、O2 MnO2、NO2 浓硫酸、硝酸 KMnO4、FeCl3 Al、Zn、Fe H2、C CO
二、1.得电子 失电子
2.氧化性 氧化性 还原性 还原性
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【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)非金属单质只具有氧化性。 ( )
(2)金属阳离子只具有氧化性,不具有还原性。 ( )
(3)金属元素的原子失去电子的数目越多,该金属的还原性越强。 ( )
(4)某元素从化合态变成游离态,该元素一定被氧化。 ( )
(5)把少量铁粉加入硝酸铜和硝酸银的混合溶液中,结果只有银白色物质析出,证明氧化性:Ag+>Cu2+。 ( )
(6)一种物质若具有氧化性,则不具有还原性,反之亦然。 ( )
【答案】(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
2.非金属单质在氧化还原反应中作反应物时一定作氧化剂吗 为什么
【答案】不一定。非金属单质在氧化还原反应中,可能作氧化剂,如O2;也可能作还原剂,如C、H2;还可能既作氧化剂又作还原剂,如Cl2。
3.金属单质在氧化还原反应中作反应物时一定作还原剂吗 为什么
【答案】是。金属元素无负价,金属单质在氧化还原反应中作反应物时一定是失电子,化合价升高,作还原剂。
【合作探究】
任务1:氧化剂与还原剂
情境导入 酒精、84消毒液均可用于灭活病毒,某84消毒液的说明书部分内容如下:
产品名称 84消毒液
性状 淡黄色液体,有刺激性气味
主要成分 次氯酸钠(NaClO)
储存 密闭、冷暗处
注意事项 不能与洁厕灵(主要成分为盐酸)混用
问题生成
1.84消毒液的主要成分NaClO中Cl元素的化合价是多少 用84消毒液消毒利用的是其什么性质
【答案】+1;利用了其氧化性。
2.84消毒液说明书的注意事项中提到不能与洁厕灵(主要成分为盐酸)混用,其实是二者混合会发生反应:NaClO+2HClNaCl+Cl2↑+H2O。请分析该反应中的氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物分别是什么,并用双线桥法标出电子转移的方向和数目。
【答案】氧化剂是NaClO,还原剂是HCl,氧化产物和还原产物都是Cl2;
3.如何通过氧化剂和还原剂、氧化产物和还原产物表示一个氧化还原反应呢
【答案】。
【核心归纳】
氧化还原反应中各概念间的关系
【典型例题】
【例1】利用铝热反应原理焊接钢轨的化学方程式为Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3。下列叙述错误的是( )。
A.该反应属于置换反应
B.该反应属于氧化还原反应
C.Al作还原剂
D.Fe2O3被氧化
【答案】D
【解析】该反应中Fe2O3是氧化剂,被还原。
【例2】下列说法正确的是( )。
A.要实现Fe2+Fe3+的转化,必须加入还原剂
B.在反应CaH2+2H2OCa(OH)2+2H2↑中,水作氧化剂
C.反应2H2S+SO23S↓+2H2O中,氧化剂和还原剂的质量之比是2∶1
D.因Cl2的氧化性强于I2的氧化性,所以置换反应I2+2NaClO32NaIO3+Cl2不能发生
【答案】B
【解析】A项,Fe2+Fe3+,铁元素被氧化,必须加入氧化剂,错误;B项,水中的氢元素化合价降低,水作氧化剂,正确;C项,H2S为还原剂,SO2为氧化剂,氧化剂和还原剂的质量之比是16∶17,错误;D项,碘单质将NaClO3还原为Cl2,说明碘单质的还原性强于氯气的还原性,遵循氧化还原反应规律,反应可以发生,错误。
任务2:氧化性和还原性
情境导入 我国歼-31战斗机使用了耐高温的钛合金材料。金属钛具有许多优异的性能,是航空、军工、电力等领域的必需材料。金红石[主要成分为二氧化钛(TiO2)] 是地壳中钛矿石中的一种。目前,大规模生产钛的方法如下:
第一步:让金红石、过量碳单质在高温下与氯气反应,制得四氯化钛(TiCl4);
第二步:在氩气氛围中加热,使金属镁与四氯化钛反应制得金属钛。
问题生成
1.写出制备金属钛的两步反应的化学方程式,并分析其中的氧化剂和还原剂分别是什么。
【答案】第一步反应:TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO,氧化剂是Cl2,还原剂是C;第二步反应:TiCl4+2MgTi+2MgCl2,氧化剂是TiCl4,还原剂是Mg。
2.分析Cl2、TiCl4两种物质的氧化性强弱顺序。
【答案】Cl2>TiCl4。
【核心归纳】
1.氧化性、 还原性和元素化合价之间的关系
【微点拨】
元素的化合价处于最高(最低)价态时,具有氧化(还原)性,但不一定具有强氧化(还原)性,如 Na+ (F-)。
2.物质氧化性、还原性强弱的比较
(1)根据元素的活动性顺序比较
(2)根据反应条件来判断
当不同的氧化剂(或还原剂)与同一还原剂(或氧化剂)反应时,反应越易进行,则对应的氧化剂(或还原剂)的氧化性(或还原性)越强,反之越弱。如:
①MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O
2KMnO4+16HCl(浓)2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O
氧化性:KMnO4>MnO2。
②Na与冷水剧烈反应,Mg与水需加热才反应,Al与水在加热条件下也难反应,故还原性:Na>Mg>Al。
(3)根据氧化产物的价态高低判断
同一物质在相同条件下,被不同氧化剂氧化的程度越大,氧化剂的氧化性越强。
例如:2Fe+3Cl22FeCl3,Fe+SFeS
氧化性:Cl2>S。
判断还原剂的还原性的原理类似。
【微点拨】
(1)氧化性、还原性的强弱只与该元素原子得失电子的难易程度有关,而与得失电子数目的多少无关。得电子能力越强,其氧化性就越强;失电子能力越强,其还原性就越强。
(2)一种反应物不一定只表现出一种性质。如反应2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑中,参加反应的KMnO4既表现了还原性,又表现了氧化性。
【典型例题】
【例3】已知下列三个反应在同温、同浓度的情况下进行。下列结论正确的是( )。
①2W-+X22X-+W2
②2Y-+W22W-+Y2
③2X-+Z22Z-+X2
A.还原性:X->Y-
B.在Y-、X-、W-、Z-中,Z-的还原性最强
C.氧化性:Z2>W2
D.反应2Z-+Y22Y-+Z2能发生
【答案】C
【解析】在氧化还原反应中,氧化性:氧化剂>氧化产物,还原性:还原剂>还原产物。由此可知,①氧化性X2>W2,还原性W->X-;②氧化性W2>Y2,还原性Y->W-;③氧化性Z2>X2,还原性X->Z-。
【母题追问】
(1)向含有Z-和X-的溶液中通入Y2,能否发生反应
【答案】根据氧化性强弱:Z2>X2>W2>Y2,Y2与Z-和X-不能反应。
(2)向含有W-和X-的溶液中通入少量Z2,写出发生反应的离子方程式。
【答案】还原性W->X-,通入少量Z2,只有W-发生反应,离子方程式为2W-+Z22Z-+W2。
思维模型:解答有关氧化剂的氧化性、还原剂的还原性强弱比较题目的思维流程如下:
任务3:氧化还原反应基本规律
情境导入 84消毒液和洁厕灵是家庭必备的生活用品。84消毒液是一种高效消毒剂,主要成分为次氯酸钠(NaClO,Cl为+1价),是无色或淡黄色液体,且具有刺激性气味,被广泛用于宾馆、医院、食品加工行业、家庭等的卫生消毒。洁厕灵主要成分是盐酸,还含有微量表面活性剂、香精、缓蚀剂,主要应用在家庭、宾馆、饭店、学校、医院、公厕、移动厕所等场所。
问题生成
1.利用氧化还原反应的知识从氯元素的角度分析84消毒液和洁厕灵的主要成分具有哪些性质。
【答案】NaClO中Cl为+1价,处于氯的中间价态,既有氧化性又有还原性;HCl中Cl为-1价,处于氯的最低价态,只有还原性。
2.84消毒液和洁厕灵不能混用,混用常常会引发人体中毒(已知氯气有毒)。
(1)利用氧化还原反应的原理说明原因。
【答案】NaClO具有氧化性,HCl具有还原性,两者混用会发生归中反应生成有毒气体Cl2。
(2)写出该反应的化学方程式,并分别用单线桥法、双线桥法表示电子转移。
【答案】
3.氯系氧化剂、消毒剂在生产、生活中有广泛应用。其消毒能力可以用“有效氯”表示,有效氯定义为单位质量的消毒剂得电子能力与多少克氯气相当。下列消毒剂(或氧化剂)的有效氯最高的是 。
A.NaClO B.Ca(ClO)2
C.NaClO2 D.ClO2
【答案】D
【解析】单位质量的含氯氧化剂得电子数越多,有效氯越高。单位质量的NaClO、Ca(ClO)2、NaClO2、ClO2得电子数之比为∶∶∶,则有效氯最高的是ClO2,故D项正确。
【核心归纳】
氧化还原反应的基本规律
1.守恒规律
氧化还原反应中,得失电子总数相等,元素化合价升降总数相等,反应前后离子所带电荷总数相等(离子反应)。即有关系式:
还原剂失电子总数=氧化剂得电子总数
化合价降低的总数=化合价升高的总数
应用:氧化还原反应方程式的配平和相关计算。
2.强弱规律
还原性:还原剂>还原产物。
氧化性:氧化剂>氧化产物。
应用:物质间氧化性(或还原性)的强弱比较,判断氧化剂和有还原性的物质在一定条件下能否发生反应。
3.先后规律
(1)同一氧化剂与多种还原剂混合,还原性强的先被氧化。
(2)同一还原剂与多种氧化剂混合,氧化性强的先被还原。
应用:判断物质的氧化性、还原性强弱或判断反应的先后顺序。
4.价态规律
(1)高低规律
元素最高价态:只有氧化性。
元素中间价态:既有氧化性又有还原性。
元素最低价态:只有还原性。
应用:判断元素或物质的氧化性、还原性。
(2)归中规律
同种元素不同价态之间发生氧化还原反应,元素的化合价“只向中间靠拢不出现交叉”,如:
(√)
(×)
(3)歧化规律
歧化规律是指某元素的中间价态在适宜条件下同时向较高和较低的价态转化,即“中间价高价+低价”。具有多种价态的元素(如Cl、S、N和P等)均可发生歧化反应,如Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O。
【微点拨】
(1)判断氧化性强弱的标准是看其得电子的难易程度,而不是看其得电子数目的多少,如浓硝酸和稀硝酸。再如氯气和硫,氧化性Cl2>S,但二者与Fe反应时,Cl2中每个Cl原子得到一个电子将铁氧化为FeCl3,每个S原子得到两个电子将Fe氧化为FeS。
【微点拨】
(2)判断还原性强弱的标准是看其失电子的难易程度,而不是看其失电子数目的多少,如钠和铝。
(3)同一元素的价态越高,氧化性不一定越强,如高氯酸和次氯酸。HClO4中氯元素为+7价,高于HClO中氯元素的+1价,但HClO4的氧化性却弱于HClO,因为物质的氧化性强弱不仅与化合价高低有关,还与物质本身的稳定性有关。
【典型例题】
【例4】X、Y、Z、G、Q均为氯的含氧化合物,它们在一定条件下可发生如下转化:
①GQ+NaCl
②Q+H2OX+H2
③Y+NaOHG+Q+H2O
④Z+NaOHQ+X+H2O
则在这五种化合物中氯元素的化合价由高到低的顺序是 。
【答案】X>Z>Q>Y>G
【解析】首先观察4个反应之间的特点,可知它们均为氧化还原反应,其中①③④为歧化反应,②为普通氧化还原反应。然后逐一分析,分别得出如下结论:对于转化①,氯元素的化合价Q>G;对于转化②,氯元素的化合价X>Q;对于转化③,氯元素的化合价Q>Y>G;对于转化④,氯元素的化合价X>Z>Q。
【例5】工业制备高铁酸钾的离子方程式为2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-2Fe+3Cl-+5H2O。下列关于该反应的说法正确的是( )。
A.Fe中Fe元素的化合价为+3
B.ClO-发生还原反应
C.Fe(OH)3是氧化剂
D.OH-是氧化剂
【答案】B
【解析】Fe中O元素的化合价为-2,则Fe元素的化合价为+6,A项错误;反应中ClO-转化为Cl-,氯元素的化合价降低,发生还原反应,B项正确;Fe(OH)3转化为Fe,铁元素的化合价升高,Fe(OH)3是还原剂,C项错误;OH-既不是氧化剂也不是还原剂,D项错误。
任务4:氧化还原反应方程式的配平与计算
情境导入
船底防污漆是一种加有防污剂的特种漆,涂装于船底和海洋水下设施之上,通过漆膜中涂料的渗出、扩散或水解,达到防止藤壶、牡蛎等海生动物附着的目的。
氧化亚铜(Cu2O)是一种鲜红色粉末状固体,主要用于制造船底防污漆,用来杀死低级海生动物。Cu2O几乎不溶于水,可在酸性溶液中发生反应,与硫酸、盐酸、硝酸的反应如下:
①Cu2O+H2SO4CuSO4+Cu+H2O
②Cu2O+4HCl2HCuCl2+H2O
③aCu2O+bHNO3(稀)cCu(NO3)2+dNO↑+fH2O
问题生成
1.Cu2O中Cu的化合价是多少 反应①中氧化剂和还原剂分别是哪种物质
【答案】+1;氧化剂和还原剂都是Cu2O。
2.反应②是不是氧化还原反应 若是,请说明转移电子情况;若不是,请说明判断依据。
【答案】不是,反应前后没有元素化合价的改变。
3.请给反应③配平,并写出配平思路与过程。
【答案】3Cu2O+14HNO3(稀)6Cu(NO3)2+2NO↑+7H2O;Cu2OCu(NO3)2,Cu元素的化合价升高1,则1个Cu2O化合价升高2,HNO3NO,N元素的化合价降低3,根据氧化剂和还原剂得失电子数目守恒,可知Cu2O的化学计量数是3,作氧化剂的HNO3的化学计量数是2,由于硝酸在该反应中只有一部分化合价降低作氧化剂,所以还原产物的化学计量数也是2,根据原子守恒可以配出其他物质的化学计量数。
4.反应③中每产生2个NO分子,转移的电子数目是多少
【答案】6个。
【核心归纳】
氧化还原反应方程式的配平
1.配平原则
2.配平步骤
(1)标价态:写出反应物和生成物的化学式,标出发生氧化反应和还原反应的元素的化合价。
+HO3(浓)O2↑+O2↑+H2O
(2)列变化:标出反应前后元素化合价的变化。
(3)求总数:依据电子得失守恒,使化合价升高和降低的总数相等。
(4)配化学计量数:用观察法配平其他物质的化学计量数,检查电荷是否守恒,原子个数是否守恒。
C+4HNO3(浓)4NO2↑+CO2↑+2H2O
3.配平方法
(1)正向配平法:若参加反应的氧化剂全部被还原,参加反应的还原剂全部被氧化,可采用正向配平法,即根据化合价升降总数相等,确定氧化剂和还原剂的化学计量数,然后用观察法配平其他物质。
(2)逆向配平法:部分氧化还原反应、自身氧化还原反应等宜选用逆向配平法,即先确定氧化产物和还原产物的化学计量数,然后用观察法确定氧化剂和还原剂的化学计量数。
(3)双向配平法:若氧化剂(或还原剂)中某元素的化合价只有部分发生变化,配平要从还原剂、还原产物(氧化剂、氧化产物)着手,即从化学方程式的两端进行配平。
(4)缺项氧化还原反应方程式的配平
①方法
先用“化合价升降法”配平含有变价元素的物质的化学计量数,然后由元素守恒确定未知物,再根据原子守恒和电荷守恒进行配平。
②补项原则
条件 补项原则
酸性条件 缺H(氢)或多O(氧)补H+,少O(氧)补H2O(水)
碱性条件 缺H(氢)或多O(氧)补H2O(水),少O(氧)补OH-
【典型例题】
【例6】配平下列反应方程式。
(1)正向配平类
KI+ KIO3+ H2SO4 I2+ K2SO4+ H2O
【答案】5 1 3 3 3 3
(2)逆向配平类
S+ NaOH Na2S+ Na2SO3+ H2O
【答案】3 6 2 1 3
【解析】S既是氧化剂又是还原剂,其化合价由0升高到+4,也由0降低到-2,因此从方程式右端产物开始分析,为了保证得失电子守恒,Na2S和Na2SO3化学计量系数之比是2∶1,确定S的系数是3,再根据观察法配平其他物质的系数。
(3)缺项配平类
将NaBiO3固体(黄色,微溶)加入MnSO4和H2SO4的混合溶液里,加热,溶液显紫色(Bi3+无色)。配平该反应的离子方程式:
NaBiO3+ Mn2++ Na++ Bi3++ Mn+ 。
【答案】5 2 14 H+ 5 5 2 7 H2O
【解析】①先根据得失电子守恒,确定NaBiO3和Mn2+的系数分别为5、2;Bi3+和Mn的系数分别为5、2;②根据原子守恒,确定Na+的系数为5;③补项,根据酸性环境,以及方程式右端少氧,确定方程式左端是H+,右端是H2O,根据原子守恒配平系数。
(4)双向配平类
Cu+ HNO3(稀) Cu(NO3)2+ NO↑+ H2O
【答案】3 8 3 2 4
【例7】有关氧化还原反应的计算
(1)1个Cl2分子与NaOH发生反应:Cl2+2NaOHNaClO+NaCl+H2O,转移电子数是多少
【答案】1 个。反应中一半Cl元素化合价升高,一半Cl元素化合价降低,且均变化1价。
(2)Na2SO3与KMnO4按个数比5∶2完全反应,你能确定还原产物中被还原元素的价态吗
【答案】+2。5 ×(6-4)=2 ×(7-x),解得x=2,即还原产物中被还原元素的化合价为+2。
【随堂检测】
1.下列转化过程中必须加入还原剂的是( )。
A.FeSH2S B.SO2S
C.Fe3+Fe2+ D.CuCu2+
【答案】C
【解析】A项,FeSH2S,无元素化合价变化,不属于氧化还原反应;B项,SO2S,无元素化合价变化,不属于氧化还原反应;C项,Fe3+Fe2+,Fe元素化合价降低,被还原,应加入还原剂才能实现;D项,CuCu2+,Cu元素化合价升高,被氧化,应加入氧化剂才能实现。
2.下列说法正确的是( )。
A.物质失电子越多,还原性越强,得电子越多,氧化性越强
B.已知①Fe+Cu2+Fe2++Cu、②2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+,则氧化性强弱顺序为 Fe3+>Cu2+>Fe2+
C.已知还原性:B->C->D-,反应 C-+D D-+C 和反应 C-+B B-+C 都能发生
D.具有强氧化性和强还原性的物质混合一定能发生氧化还原反应
【答案】B
【解析】物质氧化性强弱与得电子能力有关,得电子能力越强,则氧化性越强,与得电子多少无关;物质还原性强弱与失电子能力有关,失电子能力越强,则还原性越强,与失电子多少无关,A项错误。氧化还原反应中,氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性,在反应①中,氧化剂是Cu2+,氧化产物是Fe2+,所以氧化性:Cu2+>Fe2+,在反应②中,氧化剂是Fe3+,氧化产物是Cu2+,所以氧化性:Fe3+>Cu2+,故氧化性:Fe3+>Cu2+>Fe2+,B项正确。氧化还原反应中,还原剂的还原性大于还原产物的还原性,还原性:C->D-,故反应C-+DD-+C能发生,还原性:B->C-,故反应C-+BB-+C不能发生,C项错误。具有强氧化性和强还原性的物质混合不一定发生氧化还原反应,化学反应需要适宜的反应条件,D项错误。
3.氧化还原反应中,水的作用可以是氧化剂、还原剂、既是氧化剂又是还原剂、既不是氧化剂也不是还原剂等。下列反应与C+H2O(g)CO+H2相比较,水的作用相同的是( )。
A.3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
B.Na2O+H2O2NaOH
C.2F2+2H2O4HF+O2
D.3NO2+H2O2HNO3+NO
【答案】A
【解析】反应C+H2O(g)CO+H2中,H2O作氧化剂。该反应中,水中H元素化合价降低,作氧化剂,A项正确;该反应没有化合价的变化,为非氧化还原反应,B项错误;该反应中,水中O元素化合价升高,作还原剂,C项错误;该反应中,水中没有元素化合价发生变化,既不作还原剂也不作氧化剂,D项错误。
4.若S与R2按个数比3∶1发生氧化还原反应,其中SS,则R元素在还原产物中的化合价是( )。
A.+1 B.+2 C.+3 D.+4
【答案】C
【解析】3×(6-4)=2×(6-x),解得x=3。
5.配平下列反应方程式:
(1) Na+ H2O NaOH+ H2↑
(2) P+ CuSO4+ H2O Cu+ H3PO4+ H2SO4
(3) ClO-+ Fe(OH)3+ OH- Cl-+ Fe+ H2O
(4) Mn+ H2O2+ H+ Mn2++ O2↑+ H2O
【答案】(1)2 2 2 1
(2)2 5 8 5 2 5
(3)3 2 4 3 2 5
(4)2 5 6 2 5 8
6.ClO2是一种消毒、杀菌效率高的消毒剂,具有强氧化性。工业上利用如下反应来制备ClO2:NaClO3+Na2SO3+H2SO4ClO2↑+Na2SO4+H2O。
(1)配平上述化学方程式,并用单线桥法标出电子转移的方向和数目: 。
(2)1 mol NaClO3参加反应时转移 mol电子。
【答案】(1)
2Na2O4+H2O
(2)1
【解析】由化学方程式可知,反应中Cl元素化合价由+5价降低到+4价,所以1 mol NaClO3参加反应时转移1 mol电子。
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