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课程: 化学 > 单元 11

课程 1: 氧化还原反应

氧化还原(redox)反应

氧化还原(redox)反应

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氧化还原反应、氧化和还原剂以及常见的氧化还原反应的例子。

什么是氧化还原反应

氧化还原反应是一种化学反应，涉及两个反应物之间的电子转移。

我们可以看出，如果反应物和产物之间的氧化值有任何变化，那么电子就发生了转移。

氧化还原反应无处不在！身体使用氧化还原反应，将食物和氧气转化为能量加水和

{CO}_{2}

，然后呼气。电子产品中的电池也依赖于氧化还原反应，当我们学习电化学时，会听到更多关于氧化还原的反应。你能找到周围发生氧化还原反应的其他例子吗？

例子和重要术语

氧化还原反应有一些相关的术语，你应该要能熟练地使用它们。我们将使用下面的示例反应来介绍这些术语：

2 {Fe}_{2} O_{3} (s) + 3 C (s) \to 4 Fe (s) + 3 {CO}_{2} (g)

以下是我们希望能够回答的一些问题：

1.

这种反应是氧化还原反应吗？我们怎么知道？

2.

如果这是氧化还原反应, 什么被减少和氧化了？

3.

这种反应中的还原剂是什么？

4.

这种反应中的氧化剂是什么？

问题

1

：
基于本文的标题，我们可以对问题的第一部分进行有根据的猜测。是的，这可能是氧化还原反应，但我们怎么能确定呢？需要证明有一个电子转移发生，我们可以通过检查是否有氧化数从反应物转移到产物来证明这一点。

如果我们在反应物和产物中找到每个原子的氧化数，会得到以下信息：

2 {Fe}_{2} O_{3} (s) + 3 C (s) \to 4 Fe (s) + 3 {CO}_{2} (g)

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

+ 3, - 2 0 0 + 4, - 2 (氧化值)

可以用氧化数来回答问题

1

的第二部分，因为我们可以证明碳和铁的氧化数在电子转移的反应过程中正在发生变化。

问题

2

:
碳被氧化, 因为它 失去电子, 而氧化数字从

0

增加到

+ 4

。
铁正在减少, 因为当氧化值从

+ 3

减少到

0

时, 它 获得电子。

问题

3

:
还原剂是被氧化的反应物 (从而导致其他东西被减少)，因此

C (s)

是还原剂。

问题

4

:
氧化剂正在减少 (从而导致其他东西被氧化)，所以

{Fe}_{2} O_{3} (s)

是氧化剂。

氧化还原反应的常见类型

由于氧化还原反应是一类重要的反应，我们希望能够识别它们。有几种特殊类型的氧化还原反应，你需要知道。对于这些例子中的每一个，花一分钟的时间来找出其中的氧化剂和还原剂！

1.

有机氧化反应

有机氧化 反应是化合物和分子氧 (

O_{2}

) 之间的氧化还原反应，形成含氧产物。当其中一种反应物是碳氢化合物时，产品包括二氧化碳和水。

以下反应是辛烷 (一种碳氢化合物) 的有机氧化。辛烷是汽油的成分，这种燃烧反应发生在大多数汽车的发动机中：

2 C_{8} H_{18} + 25 O_{2} \to 16 {CO}_{2} (g) + 18 H_{2} O

2.

歧化反应

歧化反应 (或 自动氧化 反应) 是一种氧化还原反应，其中一个反应物同时被氧化和还原。以下反应是对次氯酸盐，

{ClO}^{-}

的歧化：

3 {ClO}^{-} (a q) \to {ClO}_{3}^{-} (a q) + 2 {Cl}^{-} (a q)

如果我们分析氯的氧化值，我们看到反应物

{ClO}^{-}

被氧化为

{ClO}_{3}^{-}

(其中氧化值从

+ 1

变化到

+ 5

)。同时，一些

{ClO}^{-}

被还原成

{Cl}^{-}

(氧化值从

+ 1

变到

- 1

)。在

{ClO}^{-}

和

{ClO}_{3}^{-}

中，氧气的氧化值是

- 2

，所以它既不还原也不氧化。

3.

单置换反应

一个 单替换 反应 (或 单位移 反应) 涉及化合物内的两个元素交换。例如，许多金属与稀酸发生反应，形成盐和氢气。以下反应显示锌在锌金属和盐酸水之间的单一替代反应中取代氢：

Zn (s) + 2 HCl (a q) \to {ZnCl}_{2} (a q) + H_{2} (g)

使用半反应方法来配平简单的氧化还原反应

氧化还原反应可分为还原反应和氧化 半反应。化学家使用半反应使其更容易看到电子转移, 这也有助于配平氧化还原反应。让我们看看另一个半反应的例子：

Al (s) + {Cu}^{2 +} (a q) \to {Al}^{3 +} (a q) + Cu (s)

上述反应是否平衡？我们的原子似乎是平衡的：每一侧都有

1 Al

原子和

1 Cu

原子。但是，当将反应物侧的电荷加起来时，会得到

2 +

电荷，这与产物端的

3 +

电荷不一样。我们需要确保原子和电荷都是平衡的！我们将使用 半反应方法 来平衡反应。

还原半反应： 还原半反应显示参与还原步骤的反应物和产品。由于

{Cu}^{2 +}

被还原到

Cu (s)

，我们可以开始写出这一步骤：

{Cu}^{2 +} (a q) \to Cu (s)

然而，这不是正确的半反应，因为它的电荷不是平衡的。反应物侧的净电荷为

2 +

，产品侧的净电荷为

0

。我们可以通过包括被转移的电子来平衡电荷，然后将得到还原半反应：

{Cu}^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \to Cu (s) 还原半反应

平衡的半反应告诉我们，

{Cu}^{2 +}

正在从每个铜原子获得

2 e^{-}

，并且形成

{Cu}^{0}

。那么这些电子是从哪里来的呢？我们可以跟踪电子的轨迹进行氧化半反应。

氧化半反应： 氧化半反应显示参与氧化步骤的反应物和产物。这种反应将包括从

Al (s)

到

{Al}^{3 +}

的氧化，我们还将要确保半反应是电荷平衡的：

Al (s) \to {Al}^{3 +} (a q) + 3 e^{-} 半氧化反应

氧化半反应告诉我们，每个

Al (s)

原子正在损失

3 e^{-}

以形成

{Al}^{3 +}

。

我们将结合平衡的半反应来得到平衡的整体方程，但还有一件事情需要检查。电子必须在整个方程中互相抵消 另一种方法是，我们要确保在氧化半反应中释放的任何电子在还原半反应中被耗尽。否则就会有杂散的电子漂浮在周围！这意味着需要在每半反应中传输的电子数量相等。

我们可以将还原半反应乘以

3

，并将氧化半反应乘以

2

，因此这两种反应都涉及

6

电子的转移：

\begin{aligned} 3 \times [{Cu}^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \to Cu (s)] 3 \times 还原半反应 \\ 2 \times [Al (s) \to {Al}^{3 +} (a q) + 3 e^{-}] 2 \times 半氧化反应 \end{aligned}

现在我们在每个半反应中都有相同数量的电子，可以将它们加在一起得到整体平衡方程：

\begin{aligned} 6 e^{-} + 3 {Cu}^{2 +} (a q) & \to 3 Cu (s) 3 \times 还原半反应 \\ 2 Al (s) & \to 2 {Al}^{3 +} (a q) + 6 e^{-} 2 \times 氧化半反应 \\ 2 Al (s) + 3 {Cu}^{2 +} (a q) & \to 2 {Al}^{3 +} (a q) + 3 Cu (s) 配平的方程式 \end{aligned}

最后，我们可以检查两侧的反应物和产物是否平衡。如果平衡，就完成了！我们的反应配平了质量和电荷平衡。

该反应在

([H^{+}] = [{OH}^{-}])

的中性条件下发生。有时你需要在酸性条件下平衡氧化还原反应 (其中

([H^{+}] > [{OH}^{-}])

，或者碱性条件 (

([H^{+}] < [{OH}^{-}])

。与我们刚刚经历的例子相比，在酸性和碱性条件下平衡氧化还原反应的程序有一些额外的步骤。

有关酸性条件下的平衡的更多信息，请参阅有关平衡酸中氧化还原反应的视频。

有关在基本条件下平衡氧化还原反应的更多信息，请参见有关平衡基础中氧化还原反应的视频。

总结

我们可以通过检查氧化值的变化来识别氧化还原反应。氧化还原反应可分为氧化和还原半反应。我们可以使用半反应方法来平衡氧化还原反应，这需要质量和电荷均衡。三种常见类型的氧化还原反应是有机氧化，歧化和单置换反应。

引用

这篇文章由以下文章改编而成：

"Oxidation-Reduction Reactions" 来自 Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3.0
"Balancing Redox Reactions" 来自 UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
"The importance of redox reactions in metabolism" 来自 UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0

修改后的文章根据 CC-BY-NC-SA 4.0 许可证授权

其他参考文献：

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Oxidation-Reduction Reactions. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 125-131). Stamford, CT: Cengage Learning.

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Chlorine Compounds. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 850-851). Stamford, CT: Cengage Learning.

尝试一下！

练习 1

以下氧化还原反应的平衡形式是什么？

Al (s) + H^{+} (a q) \to {Al}^{3 +} (a q) + H_{2} (g)

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