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氧化还原反应

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Reduction
Oxidant + e ⟶ Product
(Gain of Electrons) (Oxidation Number Decreases)

Oxidation
Reductant ⟶ Product + e
(Loss of Electrons) (Oxidation Number Increases)

氧化还原反应的两个部分

氧化还原反应(英语:Reduction-oxidation reaction)是在反应前后元素的氧化数具有相应的升降变化的化学反应。这种反应可以理解成由两个半反应构成,即氧化反应还原反应。此类反应都遵守电荷守恒。在氧化还原反应里,氧化与还原必然以等量同时进行

氧化反应指还原剂失去电子,化合价上升;而还原反应是指氧化剂得到电子,化合价下降。

还原剂 + 氧化剂 → 氧化产物(氧化数升高) + 还原产物(氧化数降低)

一般来说,同一反应中还原产物的还原性比还原剂弱,氧化产物的氧化性比氧化剂弱,这就是所谓“强还原剂制弱还原剂,强氧化剂制弱氧化剂”。换言之:

  • 氧化剂电子化合价降低,会“消耗”自己的氧化能力将还原剂氧化,本身被还原
  • 还原剂失电子,化合价升高,会“消耗”自己的还原能力将氧化剂还原,本身被氧化
氧化还原反应。
氧化还原反应。

举个例子︰


被氧化(oxidized), 被还原(reduced)。

定义

根据反应的实际情况,氧化还原有不同的定义。

根据电子得失

氧化:失去电子
还原:得到电子

这个是最基本、终极的氧化还原的定义,亦是广义氧化还原的定义[1]

根据氧化数

氧化:氧化数升高
还原:氧化数降低

有时候很难以电子得失作判断(例如哈伯法里面氢气氮气的反应[2],生成物并不是离子化合物电子由双方共有,没有一方原子“接受”或“给出”电子),那么就可以利用氧化数判断哪一方是被氧化、还原。

根据氧的得失

氧化:得到氧
还原:失去氧

得到氧叫氧化,是最直接的想法。可是因为不是每个反应都涉及到氧的得失(例如金属氯气的反应),所以这个是狭义氧化还原的定义。

根据氢的得失

氧化:失去氢
还原:得到氢

是一个不太普遍的定义,常用于有机化学生物化学。例子:一级醇氧化到的过程中,碳失去了一个氢,因此那是氧化反应。三级醇不能被氧化剂氧化,原因正是三级碳上没有氢。而加氢反应烯烃生成烷烃伯奇还原[3] 等)等是还原反应。

范例

以酸性条件下过锰酸盐)与草酸根)做为例子,发生还原反应,故为氧化剂发生氧化反应,故为还原剂。其还原半反应式为:

而氧化半反应式为:

将两式中的电子消除得到:

特别例子: 应该注意的是,部分物质在某反应中是氧化剂,在另一个反应中却是还原剂。二氧化硫就是一个例子。以下方程式为二氧化硫与氧反应,形成三氧化硫:

在这反应中,二氧化硫被氧化,因为硫的氧化数由4 增加至6,二氧化硫是还原剂。 现在再看看另一个例子。 二氧化硫硫化氢的反应:

在这反应中,二氧化硫被还原成硫,二氧化硫是氧化剂。

所以不可以简单地说“某物质是氧化剂或还原剂”,需要说明与什么物质进行化学反应。

氧化还原反应的表现

无机物

无机物的氧化还原反应表现为一种元素与其他元素化合比例发生了变化。

很多可与单质化合的物质在反应中都被氧化。大多数气态非金属单质都是较好的氧化剂,而碱金属都是还原剂。氢气一氧化碳等还原性气体能把金属从它们的氧化物中提炼出来,这种还原反应在工业上有重要用途。

氧化反应最早是指金属或非金属与氧化合形成氧化物的反应,而还原反应最早是指金属从其化合物中被还原单质的反应。

有可变价态的金属元素,其高价态离子一般有氧化性,低价态离子一般有还原性。如重铬酸根(Cr(VI))、离子(Fe(III))等是氧化剂,2价离子、2价离子等是还原剂。

有机物

有机物因此而导致的基团变化。有机物的反应也需要氧化剂和还原剂,而且有机分子中的碳原子的氧化数一样会发生变化。确切的说,发生氧化数变化的碳原子仅限于涉及变化了的基团的少数几个碳原子,但为了计算方便,计算时可以取平均价态。

双键和三键可以被氧化剂氧化而断开。含氧基团的转变也属于氧化还原反应,涉及此类反应的基团包括醇羟基醛基酮基羧基。在适宜的条件下,它们可以互相转变。另外,多数有α-氢的芳香环取代基能被高锰酸钾氧化为羧基。

这些反应一般用高锰酸钾臭氧重铬酸钾等强氧化性物质作氧化剂,一些有机金属化合物(如硼氢化钠氢化铝锂等)及其他有活泼键的强还原性物质作还原剂

与电化学的关系

通常氧化还原反应可以做成一个原电池。其中发生氧化反应的一极为阳极,即外电路的负极;还原反应的一极为阴极,即外电路的正极。两个电极之间有电势电化学上通常叫电动势),因此反应可以进行,同时可以用来做

参考文献

  1. ^ epaper777. 有機物化合物的氧化與還原反應. 大学入学考试中心. [2021-06-17]. (原始内容存档于2021-06-28). 
  2. ^ Max Appl "Ammonia" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006 Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a02_143.pub2
  3. ^ (a) Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1944, 430. (b) Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1945, 809. (c) Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1946, 593. (d) Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1947, 102 & 1642. (e) Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1949, 2531.

参见

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氧化还原反应
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