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氧化還原反應(yīng)化學(xué)基本反應(yīng)01理論發(fā)展氧化-還原平衡類型反應(yīng)歷程判別規(guī)律目錄030502040607表示方法配平方法與電化學(xué)的關(guān)系舉例應(yīng)用與意義目錄0901108010基本信息氧化還原反應(yīng)(oxidation-reductionreaction)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),對人類的進步具有極其重要的意義。理論發(fā)展理論發(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)展化合價的概念后,化合價升高的一類反應(yīng)并入氧化反應(yīng),化合價降低的一類反應(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),得電子的半反應(yīng)稱為還原反應(yīng)。
1948年,在價鍵理論和電負(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:1、氧化數(shù)又可以叫做氧化態(tài),本詞條使用前者。2、氧化數(shù)即高中所說的化合價,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)歷程反應(yīng)歷程氧化還原反應(yīng)的實例——鈉與氯氣的反應(yīng)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,不能獨立存在,它們共同組成氧化還原反應(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)
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)原電池的電動勢大于零。
氧化-還原平衡氧化-還原平衡一般來說,所有的化學(xué)反應(yīng)都具有可逆性,只是可逆的程度有很大差別,各反應(yīng)進行的限度也大不相同
。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Ox,還原劑為Red,氧化產(chǎn)物為Redz+,還原產(chǎn)物為Oxz-,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可以由實驗測得,亦可由公式算得。判別判別氧化還原反應(yīng)的實例——置換反應(yīng)一個化學(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
,所以這個反應(yīng)并不是氧化還原反應(yīng)。有機化學(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)有機物中,氫總呈現(xiàn)正價態(tài),氧總呈現(xiàn)負(fù)價態(tài),因此一般又將有機物得氫失氧的反應(yīng)稱為還原反應(yīng),得氧失氫的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)。類型分子內(nèi)分子間類型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:自氧化還原反應(yīng)中,若同種元素部分氧化數(shù)升高,部分氧化數(shù)降低,則這種反應(yīng)稱為歧化反應(yīng)。
例如:歧化反應(yīng)的逆反應(yīng)稱為逆歧化反應(yīng),又稱作歸中反應(yīng)。
規(guī)律規(guī)律氧化還原反應(yīng)中,存在以下一般規(guī)律:
表示方法雙線橋法氧化還原半反應(yīng)式單線橋法表示方法雙線橋法用于表明反應(yīng)前后同一元素原子間的電子轉(zhuǎn)移情況
。雙線橋示例單線橋法用于表明反應(yīng)前后不同元素原子間的電子轉(zhuǎn)移情況
。單線橋示例氧化還原半反應(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)拆成兩個半反應(yīng)。于是所有氧化還原反應(yīng)便可以表述為兩個半反應(yīng)的加和
。例如有半反應(yīng):。將所有半反應(yīng)根據(jù)統(tǒng)一規(guī)定來改寫,便成為氧化還原半反應(yīng)式,其書寫有以下要求
:1、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+/e-表示;2、半反應(yīng)式必須配平;3、在溶液中,物質(zhì)須寫成在此溶劑中的主要存在形態(tài),例如水中,強酸需要寫成酸根的形式;4、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,是還原劑失去電子,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??梢允褂醚趸€原反應(yīng)電對來表示一組共軛的氧化還原劑,例如MnO4-/Mn2+,其左邊為氧化型物質(zhì),右邊為還原型物質(zhì)。舉例燃燒酒精測試工業(yè)煉鐵復(fù)分解反應(yīng)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)
。酒精測試K2Cr2O7是一種橙紅色具有強氧化性的化合物,當(dāng)它在酸性條件下被還原成三價鉻時,顏色變?yōu)榫G色。據(jù)此,當(dāng)交警發(fā)現(xiàn)汽車行駛不正常時,就可上前阻攔,并讓司機對填充了吸附有K2Cr2O7的硅膠顆粒的裝置吹氣。若發(fā)現(xiàn)硅膠變色達到一定程度,即可證明司機是酒后駕車。這時酒精被氧化為醋酸:工業(yè)煉鐵這個反應(yīng)中,F(xiàn)e2O3中的鐵由Fe(III)變?yōu)镕e(0)(氧化數(shù)降低,為氧化劑),而CO中的碳由C(II)變?yōu)镃(IV)(氧化數(shù)升高,為還原劑)。
復(fù)分解反應(yīng)大多數(shù)無機復(fù)分解反應(yīng)都不是氧化還原反應(yīng),因為這些復(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):各元素氧化數(shù)保持不變。然而,又存在下列反應(yīng):這是典型的復(fù)分解反應(yīng),但在反應(yīng)前后,硅的氧化數(shù)上升,氫的氧化數(shù)下降,屬于氧化還原反應(yīng)。所以,復(fù)分解反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)間并無必然聯(lián)系。配平方法得失電子守恒法氧化數(shù)升降法離子/電子法待定系數(shù)法配平方法得失電子守恒法1.配平原理發(fā)生氧化還原反應(yīng)時,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
1、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,需要確定先寫方程式那邊物質(zhì)的計量數(shù)。有時先寫出方程式左邊反應(yīng)物的計量數(shù),有時先寫出方程式右邊生成物的計量數(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)物的計量數(shù);部分氧化還原反應(yīng)→先配平生成物的計量數(shù);一般的氧化還原反應(yīng)→既可先配平生成物的計量數(shù),也可先配平反應(yīng)物的計量數(shù)。2、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,需要根據(jù)不同元素的原子個數(shù)比,將氧化數(shù)變化的數(shù)值進行疊加。3、根據(jù)電子守恒配平氧化數(shù)變化的物質(zhì)的計量數(shù)。4、根據(jù)質(zhì)量守恒配平剩余物質(zhì)的計量數(shù)。最終并根據(jù)質(zhì)量守恒檢查配平無誤。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
?;静襟E1、標(biāo)變價:寫出反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式,標(biāo)出變價元素的氧化數(shù)。2、列升降:列出反應(yīng)前后元素氧化數(shù)的升降變化值。3、求總數(shù):使氧化數(shù)升高和降低的總數(shù)相等。4、配系數(shù):用觀察的方法配平其他物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù),配平后,把單線改成等號。5、查守恒:檢查方程式兩邊是否“質(zhì)量守恒”、“電荷守恒”和“元素守恒”。在配平時,是先考慮反應(yīng)物,還是先考慮生成物,一般有如下規(guī)律:1、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。離子/電子法在水溶液中進行的氧化還原反應(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)?,F(xiàn)結(jié)合以下實例說明其配平步驟
?!纠吭谒嵝越橘|(zhì)中,KMnO4與K2SO3反應(yīng)生成MnSO4和K2SO4,完成并配平方程式。配平的具體步驟如下:1、根據(jù)反應(yīng)寫出未配平的離子方程式:MnO4-+SO32-→Mn2++SO42-①2、寫出兩個半反應(yīng)式,一個表示還原劑被氧化的反應(yīng),另一個表示氧化劑被還原的反應(yīng):氧化反應(yīng)SO32-→SO42-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)中進行,所以可在上式反應(yīng)物中加H2O,生成物中加H,然后進行各元素原子數(shù)及電荷數(shù)的配平,可得:SO32-+H2O→SO42-+2H++2e-②還原反應(yīng)MnO4-→Mn2+式中產(chǎn)物中的氧原子數(shù)減少,應(yīng)加足夠多的氫離子(氧原子減少數(shù)的2倍),使它結(jié)合為水,配平后得:MnO4-+8H++5e-→Mn2++4H2O③3、根據(jù)氧化劑和還原劑得失電子數(shù)相等的原則,在兩個半反應(yīng)式中各乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù),即以②×5,③×2,然后相加得到一個配平的離子方程式。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,反應(yīng)體系的各個物質(zhì)的每一種元素的原子在反應(yīng)前后個數(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)的計量數(shù)配平,再根據(jù)每一種元素的原子個數(shù)前后相等列出方程式,解方程式(組)。計量數(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)的計量數(shù)也配平出來,最終每一個物質(zhì)的計量數(shù)都配平出來后,根據(jù)某些元素的守恒,列方程解答。應(yīng)用與意義現(xiàn)實意義氧化還原性的強弱判定應(yīng)用與意義氧化還原性的強弱判定物質(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弱可用以下幾點判定
:(1)從元素所處的價態(tài)考慮,可初步分析物質(zhì)所具備的性質(zhì)(無法分析其強弱)。最高價態(tài)——只有氧化性,如H2SO4、KMnO4中的S、Mn元素;最低價態(tài),只有還原性,如Fe
、Cl-、S2-等;中間價態(tài)——既有氧化性又有還原性,如Fe2+
、S、SO2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,如氧化產(chǎn)物中元素的價態(tài)相同,可根據(jù)反應(yīng)條件的高、低進行判斷,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?,F(xiàn)實意義在生物學(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)榇嬖谟谌姿嵯佘眨ˋTP)的高能磷酸鍵的化學(xué)能,這種化學(xué)能再供給人和動物進行機械運動、維持體溫、合成代謝、細胞的主動運輸?shù)人枰哪芰俊?/p>
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,雖然需要有細菌起作用,但就其實質(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
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