氧化还原反应

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氧化还原反应（Redox，全称为oxidation–reduction或reduction–oxidation）是一种化学反应，在这种化学反应过程中，反应物之间发生电子转移，从而导致一个基质的氧化态发生变化。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，而反应前后元素的氧化数具有相应的升降变化。氧化是指失去电子或氧化态的增加，而还原则是指获得电子或氧化态的降低。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。

## 术语

“Redox”（氧化还原）是“reduction”（还原）和“oxidation”（氧化）的混成词（red + ox = redox）。该术语首次出现在1928年莱昂诺尔·米夏埃利斯和路易斯·B·弗莱克斯纳的一篇文章中。

## 定义

氧化还原反应有两种类型：

- 电子转移-通常只有一个电子从被氧化的原子流向被还原的原子。这类型的氧化还原反应经常以氧化还原对和电极电位来讨论。
- 原子转移-原子从一个基质转移到另一个基质。例如，在铁的生锈过程中，铁原子的氧化态增加，因为铁转化为氧化物，同时氧的氧化态降低，因为它接受了由铁释放的电子。虽然氧化反应通常与氧化物的形成有关，但其他化学物质也可以起到相同的作用。在氢化反应中，像C=C这样的键通过氢原子的转移被还原。

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”。换言之：

- 氧化剂得电子，化合价降低，会“消耗”自己的氧化能力将还原剂氧化，本身被还原
- 还原剂失电子，化合价升高，会“消耗”自己的还原能力将氧化剂还原，本身被氧化

举个例子︰

$$Xe^- + Y \to X + Ye^-$$

$Xe^-$被氧化（oxidized）， $Y$被还原（reduced）。

根据反应的实际情况，氧化还原有不同的定义：

### 根据电子得失

氧化：失去电子。

还原：得到电子。

这个是最基本、终极的氧化还原的定义，也是广义氧化还原的定义。

### 根据氧化数

氧化：氧化数升高

还原：氧化数降低

有时候很难以电子得失作判断（例如哈伯法里面氢气和氮气的反应，生成物氨并不是离子化合物，电子由双方共有，没有一方原子“接受”或“给出”电子），那么就可以利用氧化数判断哪一方是被氧化、还原。

### 根据氧的得失

氧化：得到氧

还原：失去氧

易直接认为氧化还原反应中“被氧化”代表得到氧。可是因为不是每个反应都涉及到氧的得失（例如金属钠和氯气的反应），所以这个是狭义氧化还原的定义。

### 根据氢的得失

氧化：失去氢

还原：得到氢

是一个不太普遍的定义，常用于有机化学、生物化学。例子：一级醇氧化到醛的过程中，碳失去了一个氢，因此那是氧化反应。三级醇不能被氧化剂氧化，原因正是三级碳上没有氢。而加氢反应（烯烃生成烷烃、苯的伯奇还原等）等是还原反应。

### 范例

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以酸性条件下过锰酸盐（${MnO4}^{-}$）与草酸根（${C2O4}^{2-}$）做为例子，${MnO4}^{-}$发生还原反应，故为氧化剂，${C2O4}^{2-}$发生氧化反应，故为还原剂。其还原半反应式为：

$${MnO4}^{-}+8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O$$

而氧化半反应式为：

$${C2O4}^{2-} -> 2CO2 + 2e-$$

将两式中的电子消除得到：

$({MnO4}^{-} + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O)$ $\times 2$

$({C2O4}^{2-} -> 2CO2 + 2e^{-})$ $\times 5$

$$2{MnO4}^{-} + 5{C2O4}^{2-} + 16H+ -> 2Mn^2+ + 10CO2 + 8H2O$$

特别例子：

应该注意的是，部分物质在某反应中是氧化剂，在另一个反应中却是还原剂。二氧化硫就是一个例子。以下方程式为二氧化硫与氧反应，形成三氧化硫：

$$2SO2(4) + O2 -> 2SO3(6)$$

在这反应中，二氧化硫被氧化，因为硫的氧化数由4 增加至6，二氧化硫是还原剂。

现在再看看另一个例子。二氧化硫与硫化氢的反应：

$$SO2(4) + 2H2S -> 3S(0) + 2H2O$$

在这反应中，二氧化硫被还原成硫，二氧化硫是氧化剂。

所以不可以简单地说“某物质是氧化剂或还原剂”，需要说明某物质与什么物质进行化学反应。

## 表现

### 无机物

无机物的氧化还原反应表现为一种元素与其他元素化合比例发生了变化。

很多可与氧、氯、硫单质化合的物质在反应中都被氧化。大多数气态非金属单质都是较好的氧化剂，而碱金属都是还原剂。氢气、一氧化碳等还原性气体能把金属从它们的氧化物中提炼出来，这种还原反应在工业上有重要用途。

氧化反应最早是指金属或非金属与氧化合形成氧化物的反应，而还原反应最早是指金属从其化合物中被还原成单质的反应。

有可变价态的金属元素，其高价态离子一般有氧化性，低价态离子一般有还原性。如重铬酸根（Cr(VI)）、铁离子（Fe(III)）等是氧化剂，2价锡离子、2价钒离子等是还原剂。

### 有机物

有机物因此而导致的基团变化。有机物的反应也需要氧化剂和还原剂，而且有机分子中的碳原子的氧化数一样会发生变化。确切的说，发生氧化数变化的碳原子仅限于涉及变化了的基团的少数几个碳原子，但为了计算方便，计算时可以取平均价态。

双键和三键可以被氧化剂氧化而断开。含氧基团的转变也属于氧化还原反应，涉及此类反应的基团包括醇羟基、醛基、酮基和羧基。在适宜的条件下，它们可以互相转变。另外，多数有α-氢的芳香环取代基能被高锰酸钾氧化为羧基。

这些反应一般用高锰酸钾、臭氧、重铬酸钾等强氧化性物质作氧化剂，一些有机金属化合物(如硼氢化钠、氢化铝锂等)及其他有活泼键的强还原性物质作还原剂。

## 应用

### 生物学

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许多重要的生物过程都涉及氧化还原反应。在这些过程开始之前，必须从环境中吸收铁。

例如，细胞呼吸作用是葡萄糖（C6H12O6）氧化为CO2，氧气还原为水。呼吸作用的总结方程式为：

C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + 能量

呼吸作用过程也很大程度上依赖NAD+还原为NADH及其逆反应（NADH氧化为NAD+）。光合作用和呼吸作用是互补的，但光合作用并不是呼吸作用中氧化还原反应的逆反应：

6 CO2 + 6 H2O + 光能 -> C6H12O6 + 6 O2

生物能量通常通过氧化还原反应来储存和释放。光合作用涉及将二氧化碳还原为糖，将水氧化为分子氧。逆反应呼吸将糖氧化为二氧化碳和水。作为中间步骤，还原碳化合物用于将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 还原为NADH，然后有助于产生质子梯度，从而驱动三磷酸腺苷 (ATP) 的合成，并通过氧气的还原来维持。在动物细胞中，线粒体发挥类似的功能。

### 地质学

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矿物质通常是金属的氧化衍生物。铁以磁铁矿（Fe3O4）的形式开采。钛以二氧化物的形式开采，通常为金红石（TiO2）的形式。这些氧化物必须被还原才能得到相应的金属，通常透过将这些氧化物与碳或一氧化碳作为还原剂加热来实现。高炉是将氧化铁和焦炭（碳的一种形式）混合以生产熔铁的反应炉。产生铁水的主要化学反应是：

Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2

电子转移反应是土壤中无数过程和特性的核心，氧化还原电位（量化为Eh（相对于标准氢电极的铂电极电位（电压））或pe（类似于pH的对比电子活度））与pH一样，是控制化学反应和生物过程的主要变量。早期的理论研究应用于淹水土壤和水稻田生产，对后来土壤中氧化还原和植物根系生长的热力学研究具有开创性意义。后来的工作则建立在此基础上，并加以扩展，以了解与重金属氧化状态变化、成土作用与形态、有机化合物降解与形成、自由基化学、湿地划分、土壤修复等相关的氧化还原反应，以及各种表征土壤氧化还原状态的方法。

### 工业

通常氧化还原反应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。

氧化还原反应的单元过程在化学工业生产中非常重要，用于许多化合物的制备：

- 将硫化铁氧化成二氧化硫，再将二氧化硫氧化成三氧化硫，以制备硫酸
- 氮氧化成一氧化氮（以铂作为催化剂），再将一氧化氮氧化成二氧化氮以制备硝酸
- 使用氧化还原反应将磷转化成五氧化二磷制备磷酸
- 使用氧化还原反应将乙烯转化成环氧乙烷
- 使用氧化还原反应将甲醇转化成氢和甲醛
- 使用氧化还原反应将氯化氢转化成氯气和水

其中，还原过程在工业中的应用有：

- 用一氧化碳将三氧化二铁还原为铁。
- 硝基苯在水中可以被铁屑还原为苯胺。

一般工业常用的还原剂有氢气、一氧化碳、铁屑、锌粉等易于被氧化而氧化后生成无害产物的物质。

在化工领域，目的通常只是在于所要得到的产品，氧化过程是要得到氧化产物，并不关心氧化剂的变化，还原也是只关心还原产物，不在乎还原剂，所以两种过程不能放到一起。

## 参见

- 歧化反应、归中反应
- 取代反应、加成反应、消去反应
- 化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应
- 氧化还原反应化学方程式的配平
- 氧化还原电位
- 还原剂
- 活性度
- 放热过程

## 外部链接

- Chemical Equation Balancer – An open-source chemical equation balancer that handles redox reactions.
- Redox reactions calculator
- Redox reactions at Chemguide
- Online redox reaction equation balancer, balances equations of any half-cell and full reactions