1.4.5 氧化还原反应 Redox Reaction


氧化还原反应（Reduction–oxidation reaction, Redox reaction）是一大类化学反应，其中反应物的氧化态发生变化。[1]

物质的氧化过程是物质失去电子，氧化态升高的过程，而物质的还原过程是获得电子，氧化态降低的过程。氧化还原反应中，一种物质被氧化，同时，另一种物质被还原。

注：国内的初中教材会将“氧化反应”定义为氧气参加的反应，但这个定义很狭隘，高中就使用通常的定义了。


具有氧化其他物质的能力的物质称为氧化剂（Oxidizing agent），而具有还原其他物质的能力的物质称为还原剂（Reducing agent）。氧化剂在反应中被还原，氧化态降低，还原剂在反应中被氧化，氧化态升高。氧化剂一定有原子不处在最高氧化态，还原剂一定有原子不处在最低氧化态。

以碳的燃烧反应 C+O2 点燃→ CO2 为例。在此反应中，C原子的氧化态从0升高到+4，所以C被氧化，C是还原剂；O原子的氧化态从0降低到-2，O被还原，O是氧化剂。

思考1：请指出在以下反应中，各原子反应前后的氧化态，并指出哪些物质是氧化剂，哪些是还原剂？

  • 2H2+O2 点燃→ 2H2O
  • Fe+Cu2+ → Cu+Fe2+
  • Cl2+H2O → HCl+HClO


燃烧反应（Combustion）是一类常见的氧化还原反应。燃烧反应中，物质与氧化剂（通常是氧气）反应，生成其氧化物。燃烧反应是一种自发放热反应，通常伴随着火焰、光和热的产生。有机物往往可以燃烧。以下为一些常见物质的燃烧反应：

  • 碳在足量的空气中燃烧 C+O2 点燃→ CO2
  • 碳在不足量的空气中燃烧 2C+O2 点燃→ 2CO
  • 氢气燃烧 2H2+O2 点燃→ 2H2O
  • 镁条燃烧 Mg+O2 点燃→ MgO
  • 硫磺燃烧 S+O2 点燃→ SO2
  • 甲烷燃烧 CH4+2O2 点燃→ CO2+2H2O
  • 氢气在氯气中燃烧 2H2+Cl2 点燃→ 2HCl


歧化反应（Disproportionation）是一种特殊的氧化还原反应，即一种物质同时被氧化和还原。在歧化反应中，一部分原子的化合价升高，另一部分原子的化合价降低。比如氯气在水中溶解 Cl2+H2O → HCl+HClO。


在氧化还原反应中，电子数量守恒。氧化剂得到电子的数量等于还原剂失去电子的数量，即，氧化剂的总化合价降低的数量等于还原剂的总化合价升高的数量。可以利用这一性质配平化学方程式。以氢气还原铁矿石（Fe2O3）为例：

未配平的方程：Fe2O3+H2 △→ Fe+H2O

反应前，H在氢气中的氧化态为0，Fe的氧化态为+3，反应后，H在水中的氧化态为+1，Fe的氧化态为0。1molFe2O3需要6个电子，所以需要3molH2。配平后的方程式为：

Fe2O3+3H2 △→ 2Fe+3H2O

思考1答案：

  • 2H2+O2 点燃→ 2H2O：H原子的氧化态从0升高到+1，O原子的氧化态从0降低到-2，H2是还原剂，O2是氧化剂。
  • Fe+Cu2+ → Cu+Fe2+：Fe原子的氧化态从0升高到+2，Cu原子的氧化态从+2降低到0，Fe是还原剂，Cu2+是氧化剂。
  • Cl2+H2O → HCl+HClO：一半的Cl原子的氧化态从0升高到+1，另一半的Cl原子的氧化态从0降低到-1，Cl2既是还原剂，又是氧化剂。