氧化还原反应 百科内容来自于: 百度百科

氧化-还原反应 (oxidation-reduction reaction, 也作redox reaction)是化学反应前后,元素的氧化数有变化的一类反应。氧化还原反应的实质是电子的得失或共用电子对的偏移。 氧化还原反应是化学反应中的三大基本反应之一(另外两个为(路易斯)酸碱反应与自由基反应)。自然界中的燃烧,呼吸作用,光合作用,生产生活中的化学电池,金属冶炼,火箭发射等等都与氧化还原反应息息相关。研究氧化还原反应,对人类的进步具有极其重要的意义。

理论发展

18世纪末,化学家在总结许多物质与氧的反应后,发现这类反应具有一些相似特征,提出了氧化还原反应的概念:与氧化合的反应,称为氧化反应;从含氧化合物中夺取氧的反应,称为还原反应。随着化学的发展,人们发现许多反应与经典定义上的氧化还原反应有类似特征,19世纪发展化合价的概念后,化合价升高的一类反应并入氧化反应,化合价降低的一类反应并入还原反应。20世纪初,成键的电子理论被建立,于是又将失电子的半反应称为氧化反应,得电子的反应称为还原反应。
1948年,在价键理论和电负性的基础上,氧化数的概念被提出,1970年IUPAC对氧化数作出严格定义 ,氧化还原反应也得到了正式的定义:化学反应前后,元素的氧化数有变化的一类反应称作氧化还原反应。
注:
  1. 氧化数又可以叫做氧化态,本词条使用前者。
  2. 氧化数即高中所说的化合价,这两者仅是叫法不同,部分表示方法有差别,其他并无区别,本词条中视为可以混用。

反应历程

氧化还原反应的实例——钠与氯气的反应 氧化还原反应的实例——钠与氯气的反应
氧化还原反应前后,元素的氧化数发生变化。根据氧化数的升高或降低,可以将氧化还原反应拆分成两个半反应:氧化数升高的半反应,称为氧化反应; 氧化数降低的反应,称为还原反应。 氧化反应与还原反应是相互依存的,不能独立存在,它们共同组成氧化还原反应。
反应中,发生氧化反应的物质,称为还原剂,生成氧化产物;发生还原反应的物质,称为氧化剂,生成还原产物。氧化产物具有氧化性,但弱于氧化剂;还原产物具有还原性,但弱于还原剂。用通式表示即为:
氧化还原反应 氧化还原反应
氧化还原反应的发生条件,从热力学角度来说,是反应的自由能小于零;从电化学角度来说,是对应原电池的电动势大于零。

氧化-还原平衡

任何一个化学反应都是可逆的,因此氧化还原反应存在着氧化-还原平衡。设氧化还原反应的通式为:
其中氧化剂为Ox,还原剂为Red,氧化产物为Red z+,还原产物为Ox z-,电子转移或偏移数为 z,则氧化还原反应的化学平衡常数为
K可以由实验测得,亦可由公式
算得。

判别

氧化还原反应的实例——置换反应 氧化还原反应的实例——置换反应
一个化学反应,是否属于氧化还原反应,可以根据反应是否有氧化数的升降,或者是否有电子得失与转移判断。如果这两者有冲突,则以前者为准,例如反应
,虽然反应有电子对偏移,但由于IUPAC规定中,单质氧化数为0 ,所以这个反应并不是氧化还原反应。
有机化学中氧化还原反应的判定通常以碳的氧化数是否发生变化为依据 :碳的氧化数上升,则此反应为氧化反应;碳的氧化数下降,则此反应为还原反应。由于在绝大多数有机物中,氢总呈现正价态,氧总呈现负价态,因此一般又将有机物得氢失氧的反应称为还原反应,得氧失氢的反应称为氧化反应。

类型

根据作为氧化剂的元素和作为还原剂的元素的来源,氧化还原反应可以分成两种类型:分子间氧化还原反应、分子内氧化还原反应。

分子间

在这类氧化还原反应中,氧化数的升高与降低发生在两种不同的物质中。
例如:

分子内

在这类氧化还原反应中,氧化数的升高与降低发生于同一物质中,通常称作自氧化还原反应。
例如:
自氧化还原反应中,若同种元素部分氧化数升高,部分氧化数降低,则这种反应称为歧化反应
例如:
歧化反应的逆反应称为逆歧化反应,又称作归中反应

规律

氧化还原反应中,存在以下一般规律:
  1. 强弱律:氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。
  2. 价态律:元素处于最高价态,只具有氧化性;元素处于最低价态,只具有还原性;处于中间价态,既具氧化性,又具有还原性。
  3. 转化律:同种元素不同价态间发生归中反应时,元素的氧化数只接近而不交叉,最多达到同种价态 。
  4. 优先律:对于同一氧化剂,当存在多种还原剂时,通常先和还原性最强的还原剂反应。
  5. 守恒律:氧化剂得到电子的数目等于还原剂失去电子的数目。

表示方法

双线桥法

双线桥示例 双线桥示例
用于表明反应前后同一元素原子间的电子转移情况
  1. 标出各发生氧化还原反应的元素的氧化数。
  2. 画出如右图所示的线,其中一条由氧化剂中氧化数降低的元素指向还原产物中的相应元素,另一条线由还原剂中氧化数升高的元素指向氧化产物中的相应元素。
  3. 标出“失去”或“得到”的电子数,格式为“得/失 发生氧化还原反应的原子数×单位原子得失的电子数"。

单线桥法

单线桥示例 单线桥示例
用于表明反应前后不同元素原子间的电子转移情况
  1. 标出各发生氧化还原反应的元素的氧化数。
  2. 用一条如右图所示的线连接方程式左边的氧化剂与还原剂,箭头由失电子的还原剂指向得电子的氧化剂
  3. 标出电子转移的数量,格式为“发生氧化还原反应的原子数×单位原子转移的电子数"。

氧化-还原半反应式

为了将氧化还原反应与电子得失相联系起来,并简化研究,可以将氧化还原反应拆成两个半反应。于是所有氧化还原反应便可以表述为两个半反应的加和 。例如有半反应:
将所有半反应根据统一规定来改写,便成为 氧化-还原半反应式,其书写有以下要求
  1. 反应式的左边总是氧化型物质(元素的氧化数高的物质),右边总是还原型物质(元素的氧化数低的物质)。反应中的得失电子数在反应式左边写出,用+/e -表示;
  2. 半反应式必须配平;
  3. 在溶液中,物质须写成在此溶剂中的主要存在形态,例如水中,强酸需要写成酸根的形式;
  4. 反应式中有且仅有一种元素的氧化数可以发生改变。
半反应式从左到右,是氧化剂得到电子,生成其共轭还原剂的过程,即还原反应;从右到左,是还原剂得到电子,生成其共轭氧化剂的过程,即氧化反应。半反应中的氧化型物质与还原型物质互称 共轭氧化剂/还原剂,这种反应关系则被称为 氧化还原共轭关系。通常可以使用氧化还原反应电对来表示一组共轭的氧化还原剂,例如MnO 4 -/Mn 2+,其左边为氧化型物质,右边为还原型物质。
半反应式中,氧化数未发生改变的元素被称作 非氧化还原组分,酸碱组分、沉淀剂、络合剂等一般都属于这一范畴

举例

燃烧

燃烧是物质迅速氧化,产生大量光和热的过程,其本质是一种剧烈的氧化还原反应。

酒精测试

K 2Cr 2O 7是一种橙红色具有强氧化性的化合物,当它在酸性条件下被还原成三价铬时,颜色变为绿色。据此,当交警发现汽车行驶不正常时,就可上前阻拦,并让司机对填充了吸附有K 2Cr 2O 7的硅胶颗粒的装置吹气。若发现硅胶变色达到一定程度,即可证明司机是酒后驾车。这时酒精被氧化为醋酸:

工业炼铁

这个反应中,Fe 2O3中的铁由Fe(III)变为Fe(0)(氧化数降低,为氧化剂),而CO中的碳由C(II)变为C(IV)(氧化数升高,为还原剂)。

复分解反应

大多数无机复分解反应都不是氧化还原反应,因为这些复分解反应中的离子互相交换,不存在电子的转移,各元素的氧化数没有变化。
例如有反应:
各元素氧化数保持不变。
然而,又存在下列反应:
这是典型的复分解反应,但在反应前后,硅的氧化数上升,氢的氧化数下降,属于氧化还原反应。所以,复分解反应与氧化还原反应间并无必然联系。

配平方法

配平方法依据——反应历程 配平方法依据——反应历程
配平氧化还原反应的方法有很多种,其中最主要的方法都是根据电子的得失或氧化数的升降来计算的。

得失电子守恒法

1.配平原理
发生氧化还原反应时,还原剂失去电子、氧化剂得到电子,得失电子数守恒
2.方法和步骤
  1. 标出发生变化的元素的氧化数,并确定氧化还原反应的配平方向。
    在配平时,需要确定先写方程式那边物质的计量数。有时先写出方程式左边反应物的计量数,有时先写出方程式右边生成物的计量数。一般遵循这样的原则:
    自身氧化还原反应→ 先配平反应物的计量数;
    部分氧化还原反应 → 先配平生成物的计量数;
    一般的氧化还原反应→既可先配平生成物的计量数,也可先配平反应物的计量数。
  2. 列出氧化数升降的变化情况。当升高或降低的元素不止一种时,需要根据不同元素的原子个数比,将氧化数变化的数值进行叠加。
  3. 根据电子守恒配平氧化数变化的物质的计量数。
  4. 根据质量守恒配平剩余物质的计量数。最终并根据质量守恒检查配平无误。

氧化数升降法

基本原则
质量守恒、电子守恒、氧化数升降守恒
基本步骤
  1. 标变价:写出反应物和生成物的化学式,标出变价元素的氧化数。
  2. 列升降:列出反应前后元素氧化数的升降变化值。
  3. 求总数:使氧化数升高和降低的总数相等。
  4. 配系数:用观察的方法配平其他物质的化学计量数,配平后,把单线改成等号。
  5. 查守恒:检查方程式两边是否“质量守恒”、“电荷守恒”和“元素守恒”。
在配平时,是先考虑反应物,还是先考虑生成物,一般有如下规律:
  1. 若氧化剂/ 还原剂中某元素的氧化数全部改变,配平宜从氧化剂、还原剂开始,即先考虑反应物。(正向配平);若氧化剂/ 还原剂中某元素氧化数只有部分改变,配平宜从氧化产物还原产物开始,即先考虑生成物。(逆向配平)
  2. 自身氧化还原反应方程式,宜从生成物开始配平。(逆向配平)
  3. 同一反应物中有多种元素变价,可将该物质作为一个整体考虑,即求该物质的一个分子中各变价元素的氧化数升、降值的代数和。
【例】试配平C + HNO 3 → NO 2 + CO 2 + H 2O:
  1. 写出反应物和生成物的化学式:C + HNO 3 → NO 2+ CO 2+ H 2O;
  2. 列出元素的氧化数的变化:
元素
反应物
生成物
变化量
C
0
+4
+4
N
+5
+4
-1
3.使氧化数的升高和降低的总数相等:C + 4HNO 3 → 4NO 2 + CO 2 + H 2O;
4.配平其它物质的系数:
在一些特殊的方程式中,可以用以下三种处理方式,以配平常规方法难以配平甚至无法配平的方程式:
零价法
先令无法用常规方法确定氧化数的物质中各元素均为零价,然后计算出各元素氧化数的升降值,并使元素氧化数升降值相等,最后用观察法配平其他物质的化学计量数。
平均标价法
当同一反应物中的同种元素的原子出现两次且价态不同时,可将它们同等对待,即假定它们的氧化数相同,根据化合物中氧化数代数和为零的原则予以平均标价,若方程式出现双原子分子时,有关原子个数要扩大两倍。
整体标价法
当某一元素的原子或原子团(多见于有机反应配平)在某化合物中有数个时,可将它作为一个整体对待,根据化合物中元素氧化数代数和为零的原则予以整体标价。

离子/电子法

水溶液中进行的氧化还原反应,可以用常用离子/电子法配平(又叫半反应法 )。这种配平方法的优点是简单易行,且能判断出方程式中所缺少的一些物质。其配平原则是:反应过程中,氧化剂获得的电子总数等于还原剂失去的电子总数。现结合以下实例说明其配平步骤
【例】在酸性介质中,KMnO 4与K 2SO 3反应生成MnSO 4和K 2SO 4,完成并配平方程式。
配平的具体步骤如下:
  1. 根据反应写出未配平的离子方程式
    MnO 4 -+ SO 3 2-→ Mn 2++ SO 4 2-
  2. 写出两个半反应式,一个表示还原剂被氧化的反应,另一个表示氧化剂被还原的反应:
    氧化反应 SO 3 2-→ SO 4 2-
    式中产物的氧原子数较反应物中的多,反应又在酸性介质中进行,所以可在上式反应物中加H2O,生成物中加H,然后进行各元素原子数及电荷数的配平,可得:
    SO 3 2-+ H 2O → SO 4 2-+ 2H ++ 2e -
    还原反应 MnO 4 -→ Mn 2+
    式中产物中的氧原子数减少,应加足够多的氢离子(氧原子减少数的2倍),使它结合为水,配平后得:
    MnO 4 -+ 8H ++ 5e -→ Mn 2++ 4H 2O ③
  3. 根据氧化剂和还原剂得失电子数相等的原则,在两个半反应式中各乘以适当的系数,即以②×5,③×2,然后相加得到一个配平的离子方程式。
  4. 写出完全的反应方程式:

待定系数法

1.配平原理
质量守恒定律说明,在发生化学反应时,反应体系的各个物质的每一种元素的原子在反应前后个数相等。通过设出未知数(如x、y、z等均大于零)把所有物质的计量数配平,再根据每一种元素的原子个数前后相等列出方程式解方程式(组)。计量数有相同的未知数,可以通过约分化简
2.方法和步骤
对于氧化还原反应,先把元素氧化数变化较多的物质的计量数用未知数表示出来,再利用质量守恒把其他物质的计量数也配平出来,最终每一个物质的计量数都配平出来后,根据某些元素的守恒,列方程解答。

应用与意义

氧化还原性的强弱判定

物质的氧化性是指物质得电子的能力,还原性是指物质失电子的能力。物质氧化性、还原性的强弱取决于物质得失电子的能力(与得失电子的数量无关)。
从方程式与元素性质的角度,氧化性与还原性的有无与强弱可用以下几点判定
(1)从元素所处的价态考虑,可初步分析物质所具备的性质(无法分析其强弱)。最高价态——只有氧化性,如H 2SO 4、KMnO 4中的S、Mn元素;最低价态,只有还原性,如Cl -、S 2-等;中间价态——既有氧化性又有还原性,如Fe、S、SO 2等。
(2)根据氧化还原的方向判断:
氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。
(3)根据反应条件判断:
当不同的氧化剂与同一种还原剂反应时,如氧化产物中元素的价态相同,可根据反应条件的高、低进行判断,如是否需要加热,是否需要酸性条件,浓度大小等等。
需要注意的是,物质的氧化还原性通常与外界环境,其他物质的存在,自身浓度等紧密相关,通过以上比较仅能粗略看出氧化还原性大小。如欲准确定量地比较氧化还原性的大小,需要使用电极电势

现实意义

在生物学中,植物的光合作用呼吸作用是典型的氧化还原反应。人和动物的呼吸,把葡萄糖氧化为二氧化碳和水。通过呼吸把贮藏在食物的分子内的能,转变为存在于三磷酸腺苷(ATP)的高能磷酸键的化学能,这种化学能再供给人和动物进行机械运动、维持体温、合成代谢、细胞的主动运输等所需要的能量。
在工业生产中所需要的各种各样的金属,很多都是通过氧化还原反应从矿石中提炼而得到的。如生产活泼的有色金属要用电解或置换的方法;生产黑色金属和一些有色金属都是用在高温条件下还原的方法;生产贵金属常用湿法还原,等等。许多重要化工产品的合成,如的合成、盐酸的合成、接触法硫酸氨氧化法制硝酸食盐水电解制烧碱等等,也都有氧化还原反应的参与。石油化工里的催化去氢、催化加氢、链烃氧化制羧酸环氧树脂的合成等等也都是氧化还原反应。
在农业生产中,施入土壤的肥料的变化,如铵态氮转化为硝态氮等,虽然需要有细菌起作用,但就其实质来说,也是氧化还原反应。土壤里铁或锰的氧化数的变化直接影响着作物的营养,晒田和灌田主要就是为了控制土壤里的氧化还原反应的进行。
在能源方面,煤炭、石油、天然气等燃料的燃烧供给着人们生活和生产所必需的大量的能量。我们通常应用的干电池、蓄电池以及在空间技术上应用的高能电池都发生着氧化还原反应,否则就不可能把化学能变成电能,把电能变成化学能。
由此可见,在许多领域里都涉及到氧化还原反应,认识氧化还原反应的实质与规律,对人类的生产和生活都是有意义的。

与电化学的关系

锌铜原电池 锌铜原电池
理论上每一个氧化还原反应都可以做成一个原电池,使氧化还原反应的电子转移变为电子定向移动。这种转变对化学理论的意义十分巨大,它将化学反应与电联系在了一起,使得化学反应可以用电学理论处理,这就形成了化学的一个重要分支——电化学。从电学角度出发,能准确比较出各物质之间,以及各物质不同状态下的氧化还原性强弱,定量地判断氧化还原反应进行的可能性与程度,计算原电池的电压等等。 详细请见“电化学”条目。
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