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氧化還原反應(yīng)
化學(xué)基本反應(yīng)類型
氧化還原反應(yīng) (oxidation-reduction reaction, 也作redox reaction)是化學(xué)反應(yīng)前后，元素的氧化數(shù)有變化的一類反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電子的得失或共用電子對的偏移。
氧化還原反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中的三大基本反應(yīng)之一（另外兩個(gè)為（路易斯）酸堿反應(yīng)與自由基反應(yīng)） 。自然界中的燃燒，呼吸作用，光合作用，生產(chǎn)生活中的化學(xué)電池，金屬冶煉，火箭發(fā)射等等都與氧化還原反應(yīng)息息相關(guān)。研究氧化還原反應(yīng)，對人類的進(jìn)步具有極其重要的意義。
基本信息
| 中文名 | 氧化還原反應(yīng) |
| 外文名 | oxidation-reduction reaction |
| 應(yīng)用學(xué)科 | |
| 適用領(lǐng)域 | 化學(xué)反應(yīng) 與化學(xué)方程 |
| 定義 | |
| 實(shí)質(zhì) | 電子的得失或共用電子對的偏移 |
| 口訣 | 升失氧，降得還 |
| 提出機(jī)構(gòu) | IUPAC |
收起
理論發(fā)展
18世紀(jì)末，化學(xué)家在總結(jié)許多物質(zhì)與氧的反應(yīng)后，發(fā)現(xiàn)這類反應(yīng)具有一些相似特征，提出了氧化還原反應(yīng)的概念：與氧化合的反應(yīng)，稱為氧化反應(yīng)；從含氧化合物中奪取氧的反應(yīng)，稱為還原反應(yīng)。隨著化學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)許多反應(yīng)與經(jīng)典定義上的氧化還原反應(yīng)有類似特征，19世紀(jì)發(fā)展化合價(jià)的概念后，化合價(jià)升高的一類反應(yīng)并入氧化反應(yīng)，化合價(jià)降低的一類反應(yīng)并入還原反應(yīng)。20世紀(jì)初，成鍵的電子理論被建立，于是又將失電子的半反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)，得電子的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)。
1948年，在價(jià)鍵理論和電負(fù)性的基礎(chǔ)上，氧化數(shù)的概念被提出，1970年IUPAC對氧化數(shù)作出嚴(yán)格定義，氧化還原反應(yīng)也得到了正式的定義：化學(xué)反應(yīng)前后，元素的氧化數(shù)有變化的一類反應(yīng)稱作氧化還原反應(yīng)。
注：
氧化數(shù)又可以叫做氧化態(tài)，本詞條使用前者。
氧化數(shù)即高中所說的化合價(jià)，這兩者僅是叫法不同，部分表示方法有差別，其他并無區(qū)別，本詞條中視為可以混用。
反應(yīng)歷程
氧化還原反應(yīng)前后，元素的氧化數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)氧化數(shù)的升高或降低，可以將氧化還原反應(yīng)拆分成兩個(gè)半反應(yīng)：氧化數(shù)升高的半反應(yīng)，稱為氧化反應(yīng)；氧化數(shù)降低的反應(yīng)，稱為還原反應(yīng)。氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)是相互依存的，不能獨(dú)立存在，它們共同組成氧化還原反應(yīng)。
氧化還原反應(yīng)
反應(yīng)中，發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)，稱為還原劑，生成氧化產(chǎn)物；發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)，稱為氧化劑，生成還原產(chǎn)物。氧化產(chǎn)物具有氧化性，但弱于氧化劑；還原產(chǎn)物具有還原性，但弱于還原劑。用通式表示即為：
氧化還原反應(yīng)的發(fā)生條件，從熱力學(xué)角度來說，是反應(yīng)的自由能小于零；從電化學(xué)角度來說，是對應(yīng)原電池的電動(dòng)勢大于零。
氧化還原平衡
任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都是可逆的，因此氧化還原反應(yīng)存在著氧化-還原平衡。設(shè)氧化還原反應(yīng)的通式為：
其中氧化劑為
，還原劑為Red，氧化產(chǎn)物為Red ，還原產(chǎn)物為 ，電子轉(zhuǎn)移或偏移數(shù)為z，則氧化還原反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為
，K可以由實(shí)驗(yàn)測得，亦可由公式
算得。
判別
氧化還原反應(yīng)的實(shí)例——置換反應(yīng)
一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，是否屬于氧化還原反應(yīng)，可以根據(jù)反應(yīng)是否有氧化數(shù)的升降，或者是否有電子得失與轉(zhuǎn)移判斷。如果這兩者有沖突，則以前者為準(zhǔn)，例如反應(yīng)
，雖然反應(yīng)有電子對偏移，但由于IUPAC規(guī)定中，單質(zhì)氧化數(shù)為0 ，所以這個(gè)反應(yīng)并不是氧化還原反應(yīng)。
有機(jī)化學(xué)中氧化還原反應(yīng)的判定通常以碳的氧化數(shù)是否發(fā)生變化為依據(jù)：碳的氧化數(shù)上升，則此反應(yīng)為氧化反應(yīng)；碳的氧化數(shù)下降，則此反應(yīng)為還原反應(yīng)。由于在絕大多數(shù)有機(jī)物中，氫總呈現(xiàn)正價(jià)態(tài)，氧總呈現(xiàn)負(fù)價(jià)態(tài)，因此一般又將有機(jī)物得氫失氧的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)，得氧失氫的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)。
類型
根據(jù)作為氧化劑的元素和作為還原劑的元素的來源，氧化還原反應(yīng)可以分成兩種類型：分子間氧化還原反應(yīng)、分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)。
分子間
在這類氧化還原反應(yīng)中，氧化數(shù)的升高與降低發(fā)生在兩種不同的物質(zhì)中。
例如：
分子內(nèi)
在這類氧化還原反應(yīng)中，氧化數(shù)的升高與降低發(fā)生于同一物質(zhì)中，通常稱作自氧化還原反應(yīng)。
例如：
例如：
規(guī)律
氧化還原反應(yīng)中，存在以下一般規(guī)律：
強(qiáng)弱律：氧化性：氧化劑>氧化產(chǎn)物；還原性：還原劑>還原產(chǎn)物。
價(jià)態(tài)律：元素處于最高價(jià)態(tài)，只具有氧化性；元素處于最低價(jià)態(tài)，只具有還原性；處于中間價(jià)態(tài)，既具氧化性，又具有還原性。
轉(zhuǎn)化律：同種元素不同價(jià)態(tài)間發(fā)生歸中反應(yīng)時(shí)，元素的氧化數(shù)只接近而不交叉，最多達(dá)到同種價(jià)態(tài)。
優(yōu)先律：對于同一氧化劑，當(dāng)存在多種還原劑時(shí)，通常先和還原性最強(qiáng)的還原劑反應(yīng)。
守恒律：氧化劑得到電子的數(shù)目等于還原劑失去電子的數(shù)目。
表示方法
雙線橋法
雙線橋示例
標(biāo)出各發(fā)生氧化還原反應(yīng)的元素的氧化數(shù)。
畫出如右圖所示的線，其中一條由氧化劑中氧化數(shù)降低的元素指向還原產(chǎn)物中的相應(yīng)元素，另一條線由還原劑中氧化數(shù)升高的元素指向氧化產(chǎn)物中的相應(yīng)元素。
標(biāo)出“失去”或“得到”的電子數(shù)，格式為“得/失 發(fā)生氧化還原反應(yīng)的原子數(shù)×單位原子得失的電子數(shù)"。
單線橋法
單線橋示例
標(biāo)出各發(fā)生氧化還原反應(yīng)的元素的氧化數(shù)。
用一條如右圖所示的線連接方程式左邊的氧化劑與還原劑，箭頭由失電子的還原劑指向得電子的氧化劑
標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量，格式為“發(fā)生氧化還原反應(yīng)的原子數(shù)×單位原子轉(zhuǎn)移的電子數(shù)"。
氧化還原半反應(yīng)式
為了將氧化還原反應(yīng)與電子得失相聯(lián)系起來，并簡化研究，可以將氧化還原反應(yīng)拆成兩個(gè)半反應(yīng)。于是所有氧化還原反應(yīng)便可以表述為兩個(gè)半反應(yīng)的加和。例如有半反應(yīng)：
。
反應(yīng)式的左邊總是氧化型物質(zhì)（元素的氧化數(shù)高的物質(zhì)），右邊總是還原型物質(zhì)（元素的氧化數(shù)低的物質(zhì)）。反應(yīng)中的得失電子數(shù)在反應(yīng)式左邊寫出，用
表示；
半反應(yīng)式必須配平；
反應(yīng)式中有且僅有一種元素的氧化數(shù)可以發(fā)生改變。
半反應(yīng)式從左到右，是氧化劑得到電子，生成其共軛還原劑的過程，即還原反應(yīng)；從右到左，是還原劑得到電子，生成其共軛氧化劑的過程，即氧化反應(yīng)。半反應(yīng)中的氧化型物質(zhì)與還原型物質(zhì)互稱共軛氧化劑/還原劑，這種反應(yīng)關(guān)系則被稱為氧化還原共軛關(guān)系。通常可以使用氧化還原反應(yīng)電對來表示一組共軛的氧化還原劑，例如
，其左邊為氧化型物質(zhì)，右邊為還原型物質(zhì)。
舉例
燃燒
燃燒是物質(zhì)迅速氧化，產(chǎn)生大量光和熱的過程，其本質(zhì)是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)。
工業(yè)煉鐵
復(fù)分解反應(yīng)
大多數(shù)無機(jī)復(fù)分解反應(yīng)都不是氧化還原反應(yīng)，因?yàn)檫@些復(fù)分解反應(yīng)中的離子互相交換，不存在電子的轉(zhuǎn)移，各元素的氧化數(shù)沒有變化。
例如有反應(yīng)：
然而，又存在下列反應(yīng)：
配平方法
配平方法依據(jù)——反應(yīng)歷程
得失電子守恒法
1．配平原理
發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，還原劑失去電子、氧化劑得到電子，得失電子數(shù)守恒。
2．方法和步驟
標(biāo)出發(fā)生變化的元素的氧化數(shù)，并確定氧化還原反應(yīng)的配平方向。
在配平時(shí)，需要確定先寫方程式那邊物質(zhì)的計(jì)量數(shù)。有時(shí)先寫出方程式左邊反應(yīng)物的計(jì)量數(shù)，有時(shí)先寫出方程式右邊生成物的計(jì)量數(shù)。一般遵循這樣的原則：
自身氧化還原反應(yīng)→ 先配平反應(yīng)物的計(jì)量數(shù)；
部分氧化還原反應(yīng) → 先配平生成物的計(jì)量數(shù)；
一般的氧化還原反應(yīng)→既可先配平生成物的計(jì)量數(shù)，也可先配平反應(yīng)物的計(jì)量數(shù)。
列出氧化數(shù)升降的變化情況。當(dāng)升高或降低的元素不止一種時(shí)，需要根據(jù)不同元素的原子個(gè)數(shù)比，將氧化數(shù)變化的數(shù)值進(jìn)行疊加。
氧化數(shù)升降法
基本原則
質(zhì)量守恒、電子守恒、氧化數(shù)升降守恒。
基本步驟
標(biāo)變價(jià)：寫出反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式，標(biāo)出變價(jià)元素的氧化數(shù)。
列升降：列出反應(yīng)前后元素氧化數(shù)的升降變化值。
求總數(shù)：使氧化數(shù)升高和降低的總數(shù)相等。
在配平時(shí)，是先考慮反應(yīng)物，還是先考慮生成物，一般有如下規(guī)律：
若氧化劑/ 還原劑中某元素的氧化數(shù)全部改變，配平宜從氧化劑、還原劑開始，即先考慮反應(yīng)物。（正向配平）；若氧化劑/ 還原劑中某元素氧化數(shù)只有部分改變，配平宜從氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物開始，即先考慮生成物。（逆向配平）
自身氧化還原反應(yīng)方程式，宜從生成物開始配平。（逆向配平）
同一反應(yīng)物中有多種元素變價(jià)，可將該物質(zhì)作為一個(gè)整體考慮，即求該物質(zhì)的一個(gè)分子中各變價(jià)元素的氧化數(shù)升、降值的代數(shù)和。
【例】試配平
：
寫出反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式：；
列出元素的氧化數(shù)的變化：
元素 | 反應(yīng)物 | 生成物 | 變化量 |
C | 0 | +4 | +4 |
N | +5 | +4 | -1 |
3.使氧化數(shù)的升高和降低的總數(shù)相等：
；
4.配平其它物質(zhì)的系數(shù)：
。
在一些特殊的方程式中，可以用以下三種處理方式，以配平常規(guī)方法難以配平甚至無法配平的方程式：
零價(jià)法
先令無法用常規(guī)方法確定氧化數(shù)的物質(zhì)中各元素均為零價(jià)，然后計(jì)算出各元素氧化數(shù)的升降值，并使元素氧化數(shù)升降值相等，最后用觀察法配平其他物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)。
平均標(biāo)價(jià)法
當(dāng)同一反應(yīng)物中的同種元素的原子出現(xiàn)兩次且價(jià)態(tài)不同時(shí)，可將它們同等對待，即假定它們的氧化數(shù)相同，根據(jù)化合物中氧化數(shù)代數(shù)和為零的原則予以平均標(biāo)價(jià)，若方程式出現(xiàn)雙原子分子時(shí)，有關(guān)原子個(gè)數(shù)要擴(kuò)大兩倍。
整體標(biāo)價(jià)法
當(dāng)某一元素的原子或原子團(tuán)（多見于有機(jī)反應(yīng)配平）在某化合物中有數(shù)個(gè)時(shí)，可將它作為一個(gè)整體對待，根據(jù)化合物中元素氧化數(shù)代數(shù)和為零的原則予以整體標(biāo)價(jià)。
離子電子法
在水溶液中進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，可以用常用離子/電子法配平（又叫半反應(yīng)法）。這種配平方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，且能判斷出方程式中所缺少的一些物質(zhì)。其配平原則是：反應(yīng)過程中，氧化劑獲得的電子總數(shù)等于還原劑失去的電子總數(shù)。現(xiàn)結(jié)合以下實(shí)例說明其配平步驟。
【例】在酸性介質(zhì)中，
與
反應(yīng)生成
和
，完成并配平方程式。
配平的具體步驟如下：
根據(jù)反應(yīng)寫出未配平的離子方程式
寫出兩個(gè)半反應(yīng)式，一個(gè)表示還原劑被氧化的反應(yīng)，另一個(gè)表示氧化劑被還原的反應(yīng)：
氧化反應(yīng) 
式中產(chǎn)物的氧原子數(shù)較反應(yīng)物中的多，反應(yīng)又在酸性介質(zhì)中進(jìn)行，所以可在上式反應(yīng)物中加
，生成物中加H，然后進(jìn)行各元素原子數(shù)及電荷數(shù)的配平，可得：
還原反應(yīng) 
根據(jù)氧化劑和還原劑得失電子數(shù)相等的原則，在兩個(gè)半反應(yīng)式中各乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)，即以
然后相加得到一個(gè)配平的離子方程式。
待定系數(shù)法
1．配平原理
質(zhì)量守恒定律說明，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)體系的各個(gè)物質(zhì)的每一種元素的原子在反應(yīng)前后個(gè)數(shù)相等。通過設(shè)出未知數(shù)（如x、y、z等均大于零）把所有物質(zhì)的計(jì)量數(shù)配平，再根據(jù)每一種元素的原子個(gè)數(shù)前后相等列出方程式，解方程式（組）。計(jì)量數(shù)有相同的未知數(shù)，可以通過約分化簡。
2．方法和步驟
對于氧化還原反應(yīng)，先把元素氧化數(shù)變化較多的物質(zhì)的計(jì)量數(shù)用未知數(shù)表示出來，再利用質(zhì)量守恒把其他物質(zhì)的計(jì)量數(shù)也配平出來，最終每一個(gè)物質(zhì)的計(jì)量數(shù)都配平出來后，根據(jù)某些元素的守恒，列方程解答。
應(yīng)用與意義
氧化還原強(qiáng)弱判定
物質(zhì)的氧化性是指物質(zhì)得電子的能力，還原性是指物質(zhì)失電子的能力。物質(zhì)氧化性、還原性的強(qiáng)弱取決于物質(zhì)得失電子的能力（與得失電子的數(shù)量無關(guān)）。
從方程式與元素性質(zhì)的角度，氧化性與還原性的有無與強(qiáng)弱可用以下幾點(diǎn)判定：
（1）從元素所處的價(jià)態(tài)考慮，可初步分析物質(zhì)所具備的性質(zhì)（無法分析其強(qiáng)弱）。最高價(jià)態(tài)——只有氧化性，如
中的S、Mn元素；最低價(jià)態(tài)，只有還原性，如
等；中間價(jià)態(tài)——既有氧化性又有還原性，如
等。
（2）根據(jù)氧化還原的方向判斷：
氧化性：氧化劑>氧化產(chǎn)物；還原性：還原劑>還原產(chǎn)物。
（3）根據(jù)反應(yīng)條件判斷：
當(dāng)不同的氧化劑與同一種還原劑反應(yīng)時(shí)，如氧化產(chǎn)物中元素的價(jià)態(tài)相同，可根據(jù)反應(yīng)條件的高、低進(jìn)行判斷，如是否需要加熱，是否需要酸性條件，濃度大小等等。
需要注意的是，物質(zhì)的氧化還原性通常與外界環(huán)境，其他物質(zhì)的存在，自身濃度等緊密相關(guān)，通過以上比較僅能粗略看出氧化還原性大小。如欲準(zhǔn)確定量地比較氧化還原性的大小，需要使用電極電勢。
現(xiàn)實(shí)意義
在生物學(xué)中，植物的光合作用、呼吸作用是典型的氧化還原反應(yīng)。人和動(dòng)物的呼吸，把葡萄糖氧化為二氧化碳和水。通過呼吸把貯藏在食物的分子內(nèi)的能，轉(zhuǎn)變?yōu)榇嬖谟谌姿嵯?/span>苷(ATP)的高能磷酸鍵的化學(xué)能，這種化學(xué)能再供給人和動(dòng)物進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)、維持體溫、合成代謝、細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)輸等所需要的能量。
在工業(yè)生產(chǎn)中所需要的各種各樣的金屬，很多都是通過氧化還原反應(yīng)從礦石中提煉而得到的。如生產(chǎn)活潑的有色金屬要用電解或置換的方法；生產(chǎn)黑色金屬和一些有色金屬都是用在高溫條件下還原的方法；生產(chǎn)貴金屬常用濕法還原，等等。許多重要化工產(chǎn)品的合成，如氨的合成、鹽酸的合成、接觸法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食鹽水電解制燒堿等等，也都有氧化還原反應(yīng)的參與。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(yīng)。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施入土壤的肥料的變化，如銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮等，雖然需要有細(xì)菌起作用，但就其實(shí)質(zhì)來說，也是氧化還原反應(yīng)。土壤里鐵或錳的氧化數(shù)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(yīng)的進(jìn)行。
在能源方面，煤炭、石油、天然氣等燃料的燃燒供給著人們生活和生產(chǎn)所必需的大量的能量。我們通常應(yīng)用的干電池、蓄電池以及在空間技術(shù)上應(yīng)用的高能電池都發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，否則就不可能把化學(xué)能變成電能，把電能變成化學(xué)能。
由此可見，在許多領(lǐng)域里都涉及到氧化還原反應(yīng)，認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)與規(guī)律，對人類的生產(chǎn)和生活都是有意義的。
與電化學(xué)關(guān)系
鋅銅原電池
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化學(xué)反應(yīng)中三大基本反應(yīng)之一——氧化還原反應(yīng)
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作者
