氧化还原反应（化学反应）

氧化还原反应

化学反应

氧化还原反应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。在反应过程中有元素化合价变化的化学反应叫做氧化还原反应。这种反应可以理解成由两个半反应构成，即氧化反应和还原反应。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。两者可以比喻为阴阳之间相互依靠、转化、消长且互相对立的关系。有机化学中也存在氧化还原反应。

基本概念

有电子转移(得失或偏移)的反应成为氧化还原反应；无电子转移(得失或偏移)的反应为非氧化还原反应。

名称来源

氧化反应最早是指金属或非金属与氧结合形成氧化物的反应，这类反应中另一种元素的化合价总是升高。还原反应最早是指金属从其化合物中被提炼出来的反应，这类反应中金属的化合价总是降低。 

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：

氧化数又可以叫做氧化态

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。

反应本质

氧化还原反应的本质是电子有转移，电子转移是微观的，宏观表现是化合价（即氧化数）的变化。氧化数升高，即失电子的半反应是氧化反应，发生此反应的物质是还原剂；氧化数降低，得电子的反应是还原反应，发生此反应的物质是氧化剂。还原剂具有还原性，氧化剂具有氧化性。还原剂被氧化剂氧化后生成的物质叫氧化产物，氧化剂被还原剂还原后生成的物质叫还原产物。即： 还原剂 + 氧化剂 ---> 氧化产物 + 还原产物

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”。

五条基本规律

一、守恒律化合价有升必有降，电子有得必有失，对于一个完整的氧化还原反应，化合价升高总数与降低总数相等，失电子总数与得电子总数相等。

二、强弱律较强氧化性的氧化剂和较强还原性的还原剂反应，生成弱还原性的还原产物和弱氧化性氧化产物。应用：在适宜的条件下，用氧化性较强的物质制备氧化性较弱的物质，或用还原性较强的物质制备还原性较弱的物质，亦可用于比较物质的氧化性或还原性的强弱。

三、先后律一种氧化剂（或还原剂）同时和多种还原剂（或氧化剂）相遇时，总是依还原性（或氧化性）强弱顺序先后去氧化还原剂（或去还原氧化剂）。

四、价态律：元素处于最高价，只有氧化性（如Fe3+）；元素处于最低价，只有还原性（如S2-、I-等）；元素处于中间价态，既有氧化性又还有性，但主要呈现一种性质（如Fe2+以还原性为主）。物质若含有多种元素，其性质是这些元素性质的综合体现。应用：判断物质的氧化性或还原性。

五、转化律：氧化还原反应中，以元素相邻价态之间的转化最容易；同种元素不相邻价态之间若发生反应，元素的化合价只相靠不交叉；同种元素，相邻价态之间不发生氧化还原反应。应用：分析判断氧化还原反应能否发生及表明电子转移情况。

反应实验

实验目的

1、了解原电池的装置以及浓度对电极电势的影响（Nernst方程式）。

2、熟悉常用氧化剂和还原剂的反应。

3、了解浓度、酸度对氧化还原反应的影响。

实验内容

（一）原电池电动势的测定 

负极（氧化反应）Zn－2e=Zn2+正极（还原反应）Cu2++2e=Cu

电池反应Zn+Cu2+=Cu+Zn2+

（二）比较电极电势的高低

1、2Fe3++2I-=I2+2Fe2+

生成的I2可用淀粉（1%）检验或者用CCl4萃取，CCl4层呈紫红色（I2在CCl4中的溶解度大于在水中的溶解度）

2、Fe3++2Br-无反应

3、2Fe2++Br2=2Fe3++2Br-

Fe3++nSCN-=[Fe(NCS)n]3-n血红色

根据实验结果可知Br2是最强的氧化剂，I-是最强的还原剂,φ(Br2/Br-)>φ(Fe3+/Fe2+)>φ(I2/I-)

（三）常见氧化剂和还原剂的反应

1、H2O2的氧化性H2O2＋2H+＋2I-＝I2＋2H2O

2、KMnO4的氧化性2MnO4-＋6H+＋H2O2＝2Mn2+＋3O2＋4H2O

3、H2S的还原性2Fe3+＋H2S＝2Fe2+＋S＋2H+

（H2S来源于硫代乙酰胺的水解，见P96下）

4、KI的还原性Cl2＋2I-＝2Cl-＋I2

I2＋5Cl2＋6H2O＝2HIO3＋10HCl

影响氧化还原反应的因素

1、浓度对氧化还原反应的影响

4HNO3(浓)+Zn=Zn(NO3)2+2NO2+H2O

10HNO3+4Zn=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O

气室法检验NH4+：NH4+＋OH-＝NH3＋H2O酚酞试纸显红色

注意1：不同浓度的硝酸与Zn作用的反应产物和反应速率有何不同？

注意2：NH4+的检验方法

气室法：用两块干燥、洁净的表面皿（一大一小），在大的一块表面皿中心放3滴6molL-1的NaOH溶液，混合均匀。在小的一块表面皿中心粘附一小条润湿的酚酞试纸，盖在大的表面皿上形成气室。将此气室放在水浴上微热2min，酚酞试纸变红，表示存在NH4+。

Nessler试剂：用Nessler试剂（K2[HgI4]的KOH溶液），现象：从红棕色到深褐色的沉淀。

干扰：如果试液中含有Fe3+、Co2+、Ni2+、Cr3+、Ag+、S2-等，会干扰NH4+的鉴定。

清除干扰的方法：可在试液中加碱，使逸出的氨与滴在滤纸条上的Nessler试剂反应，观察现象。

2、介质对氧化还原反应的影响

（1）介质对氧化还原反应方向的影响

IO3-＋6H+＋5I-=3I2+3H2O

3I2+6OH-=5I-+IO3-+3H2O

（2）介质对氧化还原反应产物的影响

H2SO4介质紫红色褪去2KMnO4+3H2SO4+5Na2SO3=2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+3H2O

中性水介质出现棕黑色沉淀2KMnO4+H2O+5Na2SO3=2MnO2+3Na2SO4+2KOH

NaOH介质绿色2KMnO4+2NaOH+Na2SO3=2Na2MnO4+K2SO4+H2O

表示方法

双线桥法

用于表明反应前后同一元素原子间的电子转移情况

标出各发生氧化还原反应的元素的氧化数。

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。

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

用于表明反应前后不同元素原子间的电子转移情况

标出各发生氧化还原反应的元素的氧化数。

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

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。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：

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；

半反应式必须配平；

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；

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MnO4-/Mn2+，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

K2Cr2O7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K2Cr2O7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，Fe2O3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。

基本操作

1.原电池的组装与测试（正负极勿连错）。

2.NH4+的检验方法。

注意事项

1、KMnO4+NaOH+Na2SO3实验时，Na2SO3用量不可过多，否则，多余的Na2SO3会与产物Na2MnO4生成MnO2；

2、废液倒入废液桶中；

3、涉及浓硝酸，浓盐酸，溴水、氯水等刺激性操作应在通风橱内操作；

4.安全。

氧化还原方程式的配平

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。因为整个过程的本质好比是还原剂把电子给了氧化剂，在这一失一得之间，电子守恒。故根据还原剂失去电子的数目和氧化剂得到电子的数目相等，结合二者化合价的改变情况，可以分别把氧化剂、还原剂的计量数计算出来，这样整个氧化还原反应就顺利配平了。

2、方法和步骤 

①标出发生变化的元素的化合价，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→先配平生成物的计量数；

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列出化合价升降的变化情况。

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，将化合价变化的数值进行叠加。

③根据电子守恒配平化合价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。

待定系数法

1、配平原理

质量守恒定律告诉我们，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，可以通过约分约掉。

2、方法和步骤

对于氧化还原反应，先把元素化合价变化较多的物质的计量数用未知数表示出来，再利用质量守恒吧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。

与电化学的关系

每一个氧化还原反应都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差(电化学上通常叫电动势)，因此反应可以进行，同时可以用来做功。 

规律

氧化还原反应中，存在以下一般规律：

强弱律：氧化性：氧化剂>氧化产物；还原性：还原剂>还原产物。

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。

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 。

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。

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。

例题

解题方法：氧化剂得到电子化合价降低转变为还原产物，还原剂失去电子化合价升高转变为氧化产物。在同一个氧化还原反应中得失电子数相等，即化合价升高总价数等于化合价降低总价数。

【例题1】(NH4)2SO4在强热条件下分解，生成NH3、SO2、N2、H2O，反应中生成的氧化产物和还原产物的物质的量之比为

A. 1 : 3 B. 2 : 3 C. 1 : 1 D. 4 : 3

解析：(NH4)2SO4在强热条件下分解，氧化产物为N2，还原产物为SO2，依据化合价升降相等原则有3×2↑×x = 2↓×y，故有x : y = 1 : 3

答案：A

【例题2】R2O8n-在一定条件下可把Mn2+氧化为MnO4-，若反应中R2O8n-变为RO42-，又知反应中氧化剂与还原剂物质的量之比为5:2，则n值为：

A. 4 B. 3 C. 2 D. 1

解析：依题意有5R2O8n- + 2Mn2+ === 2MnO4- + 10RO42-，设R2O8n-中R的化合价为x，依据化合价升降相等原则有

5×2×↓(x-6) = 2×↑(7-2)，解得x = 7，因此有

2×7 + 8×(-2) = -n，解得n = 2.

答案：C

【例题3】(NH4)2PtCl6在强热条件下分解，生成N2、HCl、NH4Cl、Pt反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为：

A. 1 : 2 B. 1 : 3 C. 2 : 3 D. 3 : 2

解析：(NH4)2PtCl6在强热条件下分解，氧化产物为N2，还原产物为Pt，依据化合价升降相等原则有3×2↑×x = 4↓×y，故有x : y = 2 : 3

答案：C

【例题4】Cl2与NaOH(70℃)的溶液中，能同时发生两个自身氧化还原反应，完全反应后，测得溶液中NaClO、NaClO3之比4 : 1，则溶液中NaCl和NaClO的物质的量之比为：

A. 11:2 B. 1:1 C. 9:4 D. 5:1

解析：Cl2中氯元素的化合价为0价，而在NaClO、NaClO3中氯元素的化合价分别为+1、+5价，设NaCl和NaClO的物质的量分别为x和y，依据化合价升降相等原则有1↓×x = 1↑×y + 5↑××y，故有x : y = 9 : 4

答案：C

【例题5】Zn与HNO3反应，Zn和被还原的HNO3的物质的量之比为4 : 1则HNO3的还原产物可能为：

A. NO2  B. NO C. N2O D. NH4NO3

解析：设还原产物中氮元素的化合价为x，依据化合价升降相等原则有4×2↑=1↓×(5-x) 解得：x = -3

答案：D

【例题6】将Mg和 Cu的合金2.64克，投入适量的稀HNO3中恰好反应，固体全部溶解时，收集的还原产物为NO，体积为0.896L(SPT)，向反应后的溶液中加入2mol/L NaOH溶液60mL时，金属离子恰好完全沉淀，则形成沉淀的质量为：

A. 4.32克  B. 4.68克 C. 5.36克 D. 6.38克

解析：依据在同一个氧化还原反应中得失电子数相等原则，解得Mg和 Cu共失去n(e-) = ×3 = 0.12 mol，由电荷守恒知Mg和Cu共需要结合0.12 mol OH-，故形成沉淀的质量m = 2.64g + 0.12 mol×17g/mol = 4.68g.

答案：B

【例题7】取x克Mg和 Cu的合金完全溶于浓HNO3中，反应过程中HNO3被还原只产生8960 mL NO2和672 mL N2O4气体(SPT)，向反应后的溶液中加入足量的NaOH溶液，形成沉淀质量为17.02克，则X的值为：

A. 8.64克 B. 9.20克 C. 9.00克  D. 9.44克

解析：依据在同一个氧化还原反应中得失电子数相等原则，解得Mg和 Cu共失去n(e-) = ×1 = 0.46 mol，由电荷守恒知Mg和 Cu共需要结合0.46 mol OH-，因此有17.02g= x + 0.46 mol×17g/mol ，解得x = 9.20g

答案：B

【例题8】将14克Ag和Cu的合金与一定浓度的HNO3反应，全部溶解后，产生的气体再通入1.12 L(SPT)O2，恰好完全吸收，求合金中各成分的含量?

解析：Ag和Cu失去电子的总数等于O2得到电子的总数，依题意有

108n(Ag) + 64n(Cu) =14

n(Ag) + 2n(Cu) = ×4 = 0.2

解得n(Ag)= 0.1mol;n(Cu)=0.05mol;w(Ag) = ×100% = 77.14%;w(Cu) = 1-77.14% = 22.86%

答案：合金中w(Ag)为77.14%，w(Cu)为 22.86%。

【例题9】将51.2 g Cu 完全溶于适量浓硝酸中，收集到氮的氧化物(含NO、 N2O4 、NO2)的混合物共0.8 mol，这些气体恰好能被500 mL 2 mol/L的NaOH溶液完全吸收，生成NaNO3和NaNO2的混合溶液，其中生成的NaNO3的物质的量为：

(已知NO+NO2+2NaOH === 2NaNO2+H2O，2NO2+2NaOH === NaNO3 +NaNO2 +H2O )

A. 0.2 mol B. 0.4 mol C. 0.6 mol D. 0.8 mol

解析：51.2 g Cu即为0.8 mol Cu，失去的电子等于NaNO2 生成时得到的电子，则NaNO2 为0.8 mol，由Na+守恒知：n(Na+) = n(NaNO2)+ n(NaNO3)，得NaNO3为0.2 mol。

答案：A

【练习1】9.8g镁、铝混合物溶解在一定量的热浓硝酸中，当金属完全溶解后收集到标准状况下8.96 L NO2和2.24 L N2O4气体，向反应的溶液中加入足量的氨水，则生成的沉淀有：

A. 18克  B. 20克 C. 22克 D. 24克

解析：依据在同一个氧化还原反应中得失电子数相等原则，解得Mg和 Al共失去n(e-)=×1 + ×2 = 0.6 mol。由电荷守恒知Mg和 Al共需要结合0.6 mol OH-，故形成沉淀的质量m = 9.8g + 0.6 mol×17g/mol = 20g

答案：B

【练习2】将11.2g的Mg和Cu的混合物完全溶解于足量的硝酸中，收集反应产生的气体X，再向所得溶液中加入适量的NaOH溶液，产生21.4g沉淀，根据题意推断气体X的成分可能是：

A. 0.3mol NO2和0.3mol NO B. 0.2mol NO2和0.1mol N2O4

C. 0.1mol NO、0.2mol NO2和0.05mol N2O4 D. 0.6mol NO

解析：根据Mg、Cu的变化：Mg～Mg2+～2OH-～Mg(OH)2～2e-、Cu～Cu2+～2OH-～Cu(OH)2～2e-知增加的质量为OH-的质量，转移电子的物质的量与OH-的物质的量相等，则有n(OH-)=21.4g-11.2 g/17g·mol-1=0.6 mol，故反应转移的电子的物质的量也为0.6 mol。选项A转移电子的物质的量为0.3mol×1+ 0.3mol×3 = 1.2 mol，不正确;选项B转移电子的物质的量为：0.2mol×1+ 0.1mol×2 = 0.4 mol，不正确;选项C转移电子的物质的量为0.1mol×3+ 0.2mol×1+ 0.05mol×2 = 0.6 mol，正确;选项D转移电子的物质的量为0.6mol×3=1.8 mol，不正确.

答案：C

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H2SO4、KMnO4中的S、Mn元素；最低价态，只有还原性，如Cl-、S2-等；中间价态——既有氧化性又有还原性，如Fe、S、SO2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，如氨的合成、盐酸的合成、接触法制硫酸、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

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。

参考资料

1.氧化还原反应的口诀和规律有哪些·高三网

2.氧化还原反应的本质及规律·高中生网