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氧化還原反應

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氧化還原反應 (oxidation-reduction reaction, 也作redox reaction)是在反應前後元素的化合價具有相應的升降變化的化學反應。在反應過程中有元素化合價變化的化學反應叫做氧化還原反應。這種反應可以理解成由兩個半反應構成,即氧化反應和還原反應。此類反應都遵守電荷守恆。在氧化還原反應里,氧化與還原必然以等量同時進行。兩者可以比喻為陰陽之間相互依靠、轉化、消長且互相對立的關係。有機化學中也存在氧化還原反應。

1基本信息

反應實質
物質失氧的反應叫還原反應,物質得氧的反應叫氧化反應,既得氧又失氧的反應叫氧化還原反應。
氧化還原反應
1·強弱律:反應中滿足:氧化性:氧化劑>氧化產物;還原性:還原劑>還原產物
2·價態律:元素處於最高價態,只具有氧化性;元素處於最低價態,
只具有還原性;處於中間價態,既具氧化性,又具有還原性。
3·轉化律:同種元素不同價態間發生歸中反應時,元素的化合價只接近而
不交叉,最多只能達到同種價態 。
4·優先律:在同一氧化還原反應中,氧化劑遇多種還原劑時,先和還原性最強的還原劑反應。
5·守恆律:氧化劑得到電子的數目等於還原劑失去電子的數目。
強弱判定
物質的氧化性是指物質得電子的能力,還原性是指物質失電子的能力。物質氧化性、還原性的強弱取決於得失電子的難易程度,與得失電子的數目多少無關。
(1)從元素所處的價態考慮,可初步分析物質所具備的性質,但無法分析其強弱。最高價態--只有氧化性,如H2SO4、KMnO4等;最低價態,只有還原性,如金屬單質Cl-、S2-等;中間價態--既有氧化性又有還原性,如Fe2+、S、SO2等。
(2)可利用金屬活動性順序判斷金屬還原性及金屬陽離子氧化性的相對強弱。
K→Au金屬原子還原性逐漸減弱;K+ →Ag+,金屬離子氧化性逐漸增強。(Fe3+氧化性較強)
(3)可根據氧化還原的方向判斷。
氧化性:氧化劑>氧化產物;還原性:還原劑>還原產物。
應用:在適宜的條件下,用氧化性較強的物質製備氧化性較弱的物質或用還原性較強的物質製備還原性較弱的物質,還能比較物質間的氧化性或還原性的強弱,也可以利用物質間氧化性或還原性的相對強弱判斷反應是否能夠發生。
(4)可根據氧化產物的價態高低判斷。
當含變價元素的還原劑在相似的條件下作用於不同的氧化劑時,可根據氧化產物中元素價態的高低來判斷氧化劑氧化性的強弱。
(5)根據反應條件判斷。
當不同的氧化劑與同一種還原劑反應時,如氧化產物中元素的價態相同,可根據反應條件的高、低進行判斷。
(6)根據物質的濃度大小判斷。
具有氧化性(或還原性)的物質濃度越大,其氧化性(或還原性)越強,反之,其氧化性(或還原性)越弱。如氧化性:濃HNO3大於稀HNO3;MnO2能與濃鹽酸反應,卻不與稀鹽酸反應。

2規律

永恆規律
當某元素為最高價時,它只能做氧化劑。
當某元素為最低價次時,它只能做還原劑。
當某元素為中間價次時,它既能做氧化劑,又能做還原劑。對於絕大多數氧化還原反應,還原劑的還原性大於還原產物的還原性,氧化劑的氧化性大於氧化產物的氧化性。也有少部分例外,如氯酸分解為氧氣+氯氣+高氯酸,其中生成物中的氧化產物高氯酸的氧化性高於反應物氯酸

3類型

根據氧化劑跟還原劑的反應方式,氧化還原反應一般可以分成三種類型:分子間的氧化還原反應、分子內的氧化還原反應和自身氧化還原反應。
分子內的氧化還原反應
在這類反應中,電子的轉移發生在同一分子內的不同原子之間。
例如:
範例——氫氣與氯氣
氫氣與氯氣的化合反應,其總反應式如下:
H2+Cl2=2HCl
氧化還原反應
我們可以把它寫成兩個半反應的形式:
氧化反應:
H2 - 2e- → 2H+
還原反應:
Cl2 + 2e- → 2Cl-
單質總為0價。第1個半反應中,氫元素從0價被氧化到+1價;同時,在第2個半反應中,氯元素從0價被還原到-1價。 (本段中,「價」指氧化數)
兩個半反應加合,電子數消掉:
H2 → 2H+ + 2e-
2e- + Cl2 → 2Cl-
H2 + Cl2 → 2H+ + 2Cl-
最後,離子結合,形成氯化氫:
H2 + Cl2 → 2HCl
反例——複分解反應
另外,複分解反應一定不是氧化還原反應.因為複分解反應中各元素的化合價都沒有變化。複分解反應中的離子互相交換,不存在電子的轉移。所以一定不是氧化還原反應。
例如:
Na2CO3+CaCl2=2NaCl+CaCO3↓其中鈉元素保持1價,碳酸根保持-2價,氯元素保持-1價,而鈣元素保持2價.

4反應表現

有機物
有機物因此而導致的基團變化。有機物的反應也需要氧化劑和還原劑,而且有機分子中的碳原子的氧化數一樣會發生變化。確切的說,發生氧化數變化的碳原子僅限於涉及變化了的基團的少數幾個碳原子,但為了計算方便,計算時可以取平均價態。
雙鍵和三鍵可以被氧化劑氧化而斷開。含氧基團的轉變也屬於氧化還原反應,涉及此類反應的基團包括醇羥基、醛基、酮羰基和羧基。在適宜的條件下,它們可以互相轉變。另外,多數有α-氫的芳香環取代基能被高錳酸鉀氧化為羧基。
這些反應一般用高錳酸鉀、臭氧、重鉻酸鉀等強氧化性物質作氧化劑,一些有機金屬化合物及其他有活潑鍵的強還原性物質作還原劑。
兩個性質
氧化還原反應的兩個性質

  氧化還原反應的兩個性質

還原性:失電子的能力
氧化性;得電子的能力 例:一物質還原性很強=失電子的能力強
一個反應中,具有還原性的物質:1.還原劑2.還原產物
一個反應中,具有氧化性的物質:1.氧化劑2.氧化產物
金屬性在本質上就是還原性,而還原性不僅僅表現為金屬的性質。
非金屬性在本質上就是氧化性,而氧化性不僅僅表現為非金屬單質的性質。
一個粒子的還原性越強,表明它的氧化性越弱;粒子的氧化性越強,表明它的還原性越弱。
即在金屬活動性順序表中,排在前面的金屬還原性強,排在後面的金屬離子氧化性強
如:在元素周期表中,非金屬性最強的非金屬元素氟,它的氧化性最強,因此氟元素無正價。反之,金屬性越強的元素,它的還原性也就越強。
一切氧化還原反應之中,還原劑的還原性>還原產物的還原性
一切氧化還原反應之中,氧化劑的氧化性>氧化產物的氧化性
還原性的強弱只與失電子的難易程度有關,與失電子的多少無關。
金屬得電子不一定變為0價 例:2Fe3++Cu=2Fe2+ + Cu2+,Fe3+—Fe2+

5表示方法

單線橋法
表明反應前後不同元素原子間的電子轉移情況。
明確標明發生氧化還原反應的元素的化合價
連接方程式左邊的氧化劑與還原劑,箭頭一律指向氧化劑
標出轉移的電子的總數,這裡不用像雙線橋那樣,僅需直接標出電子總數

6配平方法

配平方法——離子/電子法
在水溶液中進行的氧化還原反應,除用化合價升降法配平外,一般常用離子/電子法配平。其配平原則是:反應過程中,氧化劑獲得的電子總數等於還原劑失去的電子總數。現在結合以下實例說明其配平步驟。
在酸性介質中,KMnO4與K2SO3反應生成MnSO4和K2SO4,配平此化學方程式。
配平的具體步驟如下:
(1)根據反應寫出未配平的離子方程式
MnO4+ SO3→ Mn+ SO4①
(2)寫出兩個半反應式,一個表示還原劑被氧化的反應,另一個表示氧化劑被還原的反應:
氧化反應 SO3→ SO4
式中產物的氧原子數較反應物中的多,反應又在酸性介質中進行,所以可在上式反應物中加H2O,生成物中加H,然後進行各元素原子數及電荷數的配平,可得:
SO3+ H2O → SO4+ 2H+ 2e- ②
還原反應 MnO4→Mn
式中產物中的氧原子數減少,應加足夠多的氫離子(氧原子減少數的2倍),使它結合為水,配平后則得:
MnO4+ 8H+5e- → Mn+ 4H2O ③
(3)根據氧化劑和還原劑得失電子數相等的原則,在兩個半反應式中各乘以適當的係數
即以②×5,③×2,然後相加得到一個配平的離子方程式。
(4)寫出完全的反應方程式:
5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4=6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
化合價升降法是一種適用範圍較廣的配平氧化還原反應方程式的方法。離子?電子法雖然僅適用於溶液中離子方程式的配平,但它避免了化合價的計算。在水溶液中進行的較複雜的氧化還原反應,一般均用離子-電子法配平。這兩種配平方法可以相互補充。
配平方法——化合價升降法
例子:
1,寫出反應物和生成物的化學式
C + HNO3→ NO2 + CO2 + H2O
2,列出元素的化合價的變化
在反應物這邊 在生成物這邊 變化量
C化合價 0 +4 升高4
N化合價 +5 +4 降低1
3,使化合價的升高和降低的總數相等
C + 4HNO3→ 4NO2 + CO2 + H2O
4,配平其它物質的係數
C + 4HNO3 = 4 NO2↑ + CO2↑ + 2 H2O

注意事項

1:「集合原子」應做到優先配平。
2:先拆后合的拆項配平法中,需要拆的項是那些在反應中化合價既升高又降低(既作氧化劑又作還原劑)的物質。
3:整體法配平法中,選擇把哪幾個化合價升降過程「捆綁」作為一個過程是關鍵,選擇時一定要把在反應中存在固定物質的量之比的升降過程過程進行「捆綁」,不存在固定物質的量之比的升降過程就不能進行「捆綁」。如S+KNO3+C——K2S+CO2+N2
4:離子反應配平:關鍵在於能否充分利用「電荷守恆」
5:缺項配平:注意兩點:★如果是化學反應方程式其缺項一般為:水、酸、鹼。如果是離子反應方程式其缺項般為:水、H、OH。★在離子反應方程式配平其缺項時如有兩種可能如(H2O、H)或(H2O、OH),還應考慮離子共存的問題如:
Cu(2+)+FeS2+囗____——Cu2S+SO4(2-)+Fe(2+)+囗____
可有兩種選擇:(14.5.12H2O、7.3.5.24H+)或(14.5.24OH-、7.3.5.12H2O)后一種配平由於OH與Cu不能共存所以不正確。
氧化還原反應在工農業生產、科學技術和日常生活中的意義
我們所需要的各種各樣的金屬,都是通過氧化還原反應從礦石中提煉而得到的。如製造活潑的有色金屬要用電解或置換的方法;製造黑色金屬和別的有色金屬都是在高溫條件下用還原的方法;製備貴重金屬常用濕法還原,等等。許多重要化工產品的製造,如合成氨、合成鹽酸、接觸法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食鹽水電解制燒鹼等等,主要反應也是氧化還原反應。石油化工里的催化去氫、催化加氫、鏈烴氧化制羧酸、環氧樹脂的合成等等也都是氧化還原反應。
在農業生產中,植物的光合作用、呼吸作用是複雜的氧化還原反應。
雖然需要有細菌起作用,但就其實質來說,也是氧化還原反應。土壤里鐵或錳的氧化態的變化直接影響著作物的營養,曬田和灌田主要就是為了控制土壤里的氧化還原反應的進行。
我們通常應用的乾電池、蓄電池以及在空間技術上應用的高能電池都發生著氧化還原反應,否則就不可能把化學能變成電能,把電能變成化學能。
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的能,轉變為存在於三磷酸腺苷(ATP)的高能磷酸鍵的化學能,這種化學能再供給人和動物進行機械運動、維持體溫、合成代謝、細胞的主動運輸等所需要的能量。煤炭、石油、天然氣等燃料的燃燒更是供給人們生活和生產所必需的大量的能。
由此可見,在許多領域裡都涉及到氧化還原反應,我們引導學生學習和逐步掌握氧化還原反應對他們今後參加生產和生活都是有意義的。

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