第10章 氧化还原反应

第十章氧化还原反应 Redox reactions
第一节氧化反应和还原反应 Oxidation and reduction
学习目标 Learning objectives：
∙根据氧原子或氢原子的转移，阐释什么是氧化还原反应？
∙根据电子的转移，阐释什么是氧化还原反应？
∙什么是半反应方程式？
大纲参考：3.2.4
氧化还原反应 Redox reactions
“Redox”这个词是氧化还原反应的简写。

从传统角度讲，氧化还原反应指的是有氧气参加的反应。

例如，在下述反应中：
铜被氧化为氧化铜。

反应中的氧气称为氧化剂。

氧化反应的逆反应-还原反应指的是移除氧的反应。

例如，在下述反应中：
氧化铜被还原，氢气是还原剂。

通常采用氢气移除氧元素，因此有氢气参加的反应称为还原反应。

例如，在下述反应中：
氯气被还原，原因在于加入了氢气。

还原反应的逆反应，即移除氢元素的反应也称为氧化反应。

科学探索 How Science Works
氧化还原反应 Redox reactions
将许多明显无关的氧化还原反应配平，这些例子很好地证明了大量的观察现象可利用科学理论进行解释。

学习建议 Study tip
记住采用加电子的方式而非减电子的方式书写半反应方程式。

电子的得失：氧化还原反应 Gaining and losing electrons: redox reactions
如果我们描述上述反应中电子的得失，那么我们可以得到一个整体概念。

当某物质被氧化，这种物质失去电子；而当某物质被还原，这种物质得到电子。

由于氧化还原反应通常涉及
到电子的转移，因此氧化还原反应也称为电子转移的反应。

通过将氧化还原反应分割成两
个半反应方程式，我们可以看到电子的得失。

半反应方程式 Half equations
例1 Example 1
让我们再看看铜和氧气反应生成氧化铜的方程式：
氧化铜是一种离子化合物，因此我们可以采用（Cu2+ + O2-）（代替CuO）的配平符号方程
式显示氧化铜中的离子：
接下来，我们看看铜。

铜失去两个电子，因此铜被氧化。

这是一个半反应方程式。

通过采用增加电子而非减少电子的方式书写半反应方程式，即：
而非
接下来看看氧气。

氧气得到两个电子，因此氧气被还原：
如果我们将两个半反应方程式加在一起，那么我们能得到原始方程式。

注意，电子的数量
相互抵消。

例2 Example 2
氧化铜与镁发生反应生成氧化镁和铜：
我们采用氧化铜（Cu2++ O2-）和氧化镁（Mg2++O2-）书写反应方程式，展示反应中的离子。

看看铜的电子得失。

铜得到两个电子，因此铜被还原。

看看镁的电子得失。

镁失去两个电子，因此镁被氧化。

注意O2-离子不参与反应，O2-离子被称为旁观离子。

如果我们将这两个半反应方程式加在一起，那么我们得到：
这是氧化还原反应的离子方程式。

我们现在采用的氧化和还原的定义如下：
氧化反应是失去电子的反应；
还原反应是得到电子的反应。

通过这个定义，镁会被任何能移除镁原子电子的物质（不只是氧）氧化，剩下一个阳离子。

例如，氯会还原镁：
看看镁的电子得失，镁失去电子，因此镁被氧化。

再看看氯的电子得失，氯得到电子，因此氯被还原。

将这两个半反应方程式加在一起，半反应方程式中的电子相互抵消，得到：
你能发现，在方程式上加上箭头代表电子的转移，有助于追踪电子的得失，如图1所示。

Loss of 2 electrons 失去两个电子
gain of 2 electrons 得到两个电子
Magnesium is oxidized.镁被氧化。

Copper ions are reduced. 铜离子被还原。

图1 书写电子转移方程式有助于追踪电子的得失。

在一个化学方程式中，如果一种物质被氧化（失去电子），那么另外一种物质必然会被还原（得到电子）。

氧化剂和还原剂 Oxidising and reducing agents
根据上述反应，氧化剂和还原剂的定义如下：
∙还原剂失去电子，因此还原剂是给电子体。

∙氧化剂得到电子。

提示 Hint
根据OIL RIG（Oxidation is loss of electrons while reduction is gain of electrons）这个短语，我们能轻易记住氧化反应和还原反应的定义。

问题小结 Summary questions
1、在下述反应方程式中：
A哪些元素得到电子？
B 哪些元素失去电子？
C 哪些元素被氧化？
D 哪些元素被还原？
E 书写这些氧化还原反应的半反应方程式。

F 什么是氧化剂？
G 什么是还原剂？
第二节氧化态 Oxidation states
学习目标 Learning objectives：
∙什么是氧化态？
∙如何计算氧化态？
大纲参考：3.2.4
氧化态 Oxidation states
我们采用氧化态的概念表明在氧化还原反应中，哪些物质被氧化，哪些物质被还原。

氧化
态也称为氧化数。

氧化态的定义 The idea of oxidation states
某种化合物中每个元素都有某个氧化态。

在离子化合物中，与还没有结合形成化合物的元
素相比，氧化态能简单地告知原子得失电子的数量。

在一个分子中，根据氧化态，我们知
道不同电负性的元素之间电子的分配情况。

电负性更强的元素的氧化态为负。

∙所有单质的元素氧化态为零；
∙氧化态为正表示该元素失去电子，因此被氧化。

例如，镁离子Mg2+的氧化态为+2。

∙氧化态为负表示该元素得到电子，因此被还原。

例如，氯离子Cl-的氧化态为-1。

∙为正数的氧化态的数量越大，该元素受到氧化越多。

为负数的氧化态的数量越大，该元素受到还原越多。

∙除了单质的氧化态为零以外，氧化态通常带有正号+或负号-。

计算氧化态的规则Rules for finding oxidation states
根据下述规则，你可以计算得出氧化态。

1、单质的氧化态为0；
2、某些元素在所有化合物中的氧化态都相同，其他元素具有相同的氧化态。

表1给
出了这些元素的氧化态。

表1 部分元素的通常氧化态
4、配离子内氧化态的总数等于离子的电荷数，例如NH4+或者SO42-；
5、某化合物中电负性最强的元素通常具有负的氧化态。

如何计算化合物中元素的氧化态Working out oxidation states of elements in compounds
从正确的化学式开始，寻找已知氧化态的元素。

然后推断任何其他元素的氧化态。

下面举出了几个例子。

五氯化磷PCl5
我们知道氯的一个氧化态为-1，为了使氧化态总数为零，因此磷的氧化态一定为+5。

氨气NH3
已知氢的氧化态为+1，为了使氧化态总数为零，因此氮的氧化态为-3。

并且氮的电负性强于氢，因此氢的氧化态一定为正。

硝酸HNO3
已知每个氧原子的氧化态为-2，因此3个氧原子的氧化态为-6。

已知氢原子的氧化态为+1。

因此为了使氧化态总数为零，氮的氧化态一定为+5。

注意不同化合物中氮的氧化态不同。

注意，氮的氧化态为正数，原因在于氮与电负性更强的元素氧结合在一起。

硫化氢H2S
已知氢的氧化态为+1，为了使氧化态总数为零，硫的氧化态一定为-2。

硫酸根离子SO42-
已知每个氧原子的氧化态为-2，四个氧原子的氧化态为-8。

因此，为了使氧化态总数等于离子化合物的电荷数，硫的氧化态一定为+6。

注意不同化合物中硫的氧化态不同。

黑色氧化铜 CuO
已知氧的氧化态为-2，因此为了使氧化态总数为零，铜的氧化态一定为+2。

红色氧化亚铜Cu2O
已知氧的氧化态为-2，因此为了使氧化态总数为零，每个铜原子的氧化态一定为+1。

我们必须采用罗马数字的氧化态数区别含不同氧化态金属元素的相似化合物。

因此，黑色氧化铜是氧化铜（II），红色氧化亚铜是氧化亚铜（I）。

这些化合物如图1所示。

图1 铜的两种氧化物
问题小结 Summary questions
1、计算出如下化合物中每种元素的氧化态。

A PbCl2
B CCl4
C NaNO3
2、在下述反应中：
反应前后的氧的氧化态分别为多少？
3、在下述反应中：
反应前后的氧的氧化态分别为多少？
4、在下述反应中：
反应前后的铁的氧化态分别为多少？
5、请说出如下元素的氧化态：
A PO43-中的磷P
B NO3-中的氮N
C NH4+中的氮N
第三节氧化还原反应方程式 Redox equations
学习目标 Learning objectives:
∙如何利用半反应方程式配平方程？
∙如何根据氧化还原反应方程式推断半反应方程式？
大纲参考：3.2.4
我们从章节10.1中已经了解到可以根据元素的电子转移，计算出氧化还原反应中被氧化和还原的元素的氧化态。

记住“氧化反应是失去电子的反应（oxidation is loss of electrons OIL），而还原反应是得到电子的反应（reduction is gain of electrons RIG）”。

我们还可以利用氧化态理解氧化还原反应。

当某种元素被还原时，该元素会得到电子，其氧化态会下降。

在下述反应中，铁被还原，因为铁元素在反应前后氧化态从+3下降到+2，而碘被氧化：
即使在复杂的化学反应中，当我们将元素的氧化态代入方程式后，我们也可以看到哪些元素被氧化，哪些元素被还原：
碘酸根离子IO3-中的碘被还原（碘的氧化态从+5下降到0），亚硫酸氢根离子HSO3-中的硫被氧化（硫的氧化态从+4上升到+6）。

所有其他原子的氧化态没有发生改变。

配平氧化还原反应Balancing redox reactions
我们可以利用氧化态的概念配平氧化还原反应的方程式。

为了配平反应方程式：
∙方程式两边各种元素原子的数量必须相同；
∙方程式两边的总电荷数量必须相同。

例1：
每个铝原子失去三个电子被氧化。

反应中，得到电子的数量必须等于失去电子的数量。

这意味着铝原子与铁原子数量相同。

（氧离子是旁观离子）。

我们得到两个铁原子，因此我们还必须有两个铝原子。

因此，配平方程式如下：
图1热剂反应的演示实验
例2：水溶液 Example 2: aqueous solutions:
有时在水溶液中，某些物质会参与氧化还原反应，不过既不会被氧化也不会被还原。

我们必须分别配平方程式。

包括水分子、氢离子H+（酸溶液）和氢氧根离子OH-（碱溶液）。

氧化态只能帮助我们配平发生氧化或还原反应的物质。

假设我们想配平如下方程式，在这个方程式中，酸溶液中深紫色的高锰酸根离子（VII）能与亚铁离子Fe2+发生反应，产生浅桃红的锰离子Mn2+和铁离子Fe3+。

未配平的方程式为：
1、书写上述各元素的氧化态。

2、说出被氧化和被还原的物质的名称。

锰从+7还原为+2，因此锰必须得到5个电子。

（注意，这个方程式并没有配平。

）
铁从+2氧化到+3价，因此必须失去一个电子。

为了配平发生转移的电子的数量，上述离子方程式必须乘以5：
因此，我们知道对于每个高锰酸根离子MnO4-，有5个亚铁离子Fe2+。

3、在未配平的方程式中，利用本信息配平氧化还原反应方程式：
[注意，本方程式还没有配平。

]
4、配平既没有氧化也没有还原的其他原子。

为了用光方程式左边的四个氧原子，我们需
要在方程式右边加上4个水分子，因此在方程式左边需要加上8个氢离子。

注意，这个方程式的原子和电荷都已经配平。

平衡方程式内的半反应 Half equations from the balanced equation
例1
铜与冷的稀硝酸之间发生反应，会生成气态的一氧化氮。

配平符号方程式如下所示：
为了得出半反应方程式，你首先需要知道哪些元素被氧化以及哪些元素被还原。

1、代入数字，并查找氧化态的变化。

铜被氧化，氮被还原。

2、现在得出半反应方程式。

三个铜原子都失去两个电子，因此一共产生6个电子。

两个硝酸根原子NO3-都得到三个电子，因此半反应方程式必须如下所示：
这个半反应方程式的原子或电荷都没有配平。

方程式左边有6个氧原子，而右边只有两个氧原子。

方程式左边的电荷总量为6个，而右边的电荷数为零。

查看原始方程式。

我们需要在半反应方程式的左边加上8个氢离子（为了用光其他四个氧原子）以及方程式右边的四个水分子。

还包括电荷数，因此完整的半反应方程式如下：
本方程式的原子数量和电荷数量都已经配平。

例2
铜和热浓硝酸之间的反应会生成气态的二氧化氮。

1、配平符号方程式内包括氧化态：
铜被氧化，而氮被还原。

2、现在得出半反应方程式。

铜失去两个电子，因此半反应方程式为：
硝酸根离子中的氮得到一个电子，因此半反应方程式为：
电荷数量或原子没有配平。

方程式左边多余两个氧原子，总电荷数为-4，而方程式右边中性。

还需要配平电荷数。

我们还需要在方程式右边加上两个水分子。

半反应方程式为：
注意，如果我们将两个半反应方程式加在一起，那么电子会相互抵消，我们回到原始配平方程式。

问题小结 Summary questions
1、下述问题与方程式有关：
A写出上述每种元素的氧化态。

B 哪种元素被氧化？请解释你的答案。

C哪种元素被还原？请解释你的答案。

D 书写上述反应的半反应方程式。

2、利用氧化态配平下述反应方程式。

c 请书写上述a和b反应的半反应方程式。

练习题 Practice questions
1、（a）如下方程式是氧化还原反应方程式。

（i）请根据电子数量定义氧化态。

（ii）请推断一氧化氮内氮的氧化态和铵根离子NH4+中的氮的氧化态。

（iii）请说出本反应受到氧化的物质名称。

（4分）
（b）将氯气通入二氧化硫的水溶液时，生成了氢离子、硫酸根离子和氯根离子。

（i）请书写氯形成氯根离子的半反应方程式。

（ii）请书写二氧化硫和水生成的氢离子和硫酸根离子的半反应方程式。

（iii）并推导当氯气通入二氧化硫水溶液中发生反应的总方程式（3分）
AQA,2002
2、（a）请根据电子转移，说明氧化还原反应中氧化剂的作用。

（1分）
（b）在没有结合的元素中氧原子的氧化态数量为多少？（1分）
（c）请推断每种化合物中氮的氧化态。

（i） NCl3
(ii) Mg3N2
(iii) NH2OH (3分)
（d）二氧化铅（IV）与浓盐酸反应生成氯气、铅（II）离子Pb2+和水。

（i）请书写在氢离子H+存在的条件下，二氧化铅生成铅离子和水的半反应方程式。

（ii）请书写氯离子生成氯气的半反应方程式。

（ii）当浓盐酸加入到二氧化铅中时，请推断发生反应的方程式。

（3分）
AQA,2002 3、（a）请根据电子转移阐述，在一个氧化还原反应中，氧化剂会发生什么影响？（1分）
（b）对于如下的氧化还原反应：
（i）请说出本反应中氧化剂和还原剂的名称。

（ii）请书写一个半反应方程式，说明水溶液中的二氧化硫如何转化为硫酸根离子；
（c）酸性条件下，氯酸根离子ClO3-将亚铁离子Fe2+氧化为铁离子Fe3+。

氯酸根离子ClO3-还原为氯离子Cl-。

（i）请书写本反应中铁离子发生氧化反应的半反应方程式。

（ii）请推断氯酸根离子中氯的氧化态。

（iii）请书写酸性条件下，将氯酸根离子ClO3-还原成氯离子Cl-的半反应方程式。

（iv）并书写本反应的总反应方程式。

（4分）
（d）请书写一个方程式，证明如何从高炉中得到的非纯铁中除去杂质硫。

请说出本反应中哪种物质是氧化剂。

（2分）
AQA,2003 4、氯和溴都是氧化剂。

（a）请根据电子得失定义什么是氧化剂。

（1分）
（b）在水溶液中，溴会将二氧化硫SO2氧化为硫酸根离子SO42-
（i）请推断SO2和SO42-内硫的氧化态；
（ii）请推断水溶液中溴的还原反应的半反应方程式。

（iii）请推断SO2在水溶液中形成SO42-和H+离子的半反应方程式。

(iv) 利用这两个半反应方程式构建溴水和二氧化硫反应的总反应方程式。

（5分）
5、（a）根据电子的得失，解释氧化剂这个术语的意思。

（1分）
（b）对于离子化合物MX内的元素X，解释氧化态这个术语的定义。

（1分）
（c）通过推断给定离子或化合物内每个元素的氧化态，完成下列表格。

（3分）
-与金属铜反应形成一氧化氮NO和铜离子（II）。

3
（i）请书写将铜氧化形成铜离子（II）的反应的半反应方程式。

（ii）请书写硝酸根离子在酸性溶液中生成一氧化氮的半反应方程式。

（iii）请书写本反应的总反应方程式。

（3分）
AQA,2005 6、（a）请根据电子定义还原反应。

（1分）
（b）当铜与硝酸发生反应时，生成的氮的氧化物取决于酸的浓度和温度。

铜与冷的、稀
酸发生的反应会生成NO，方程式如下：
在温暖的浓硝酸中，生成NO2。

（i）请给出NO3-、NO2和NO内氮的氧化态。

（ii）请说出在H+存在的条件下，NO3-生成NO2的反应是氧化反应还是还原反应，并推导该反应的半反应方程式。

（iii）请推断在H+存在的条件下，NO3-生成NO2的半反应方程式。

（iv）请推断NO3-、H+以及铜生成Cu2+离子、NO2和水的总反应方程式。

（8分）
AQA,2001 7、（a）请根据电子转移，解释氧化剂的定义。

（1分）
（b）在强酸存在时，IO3-离子是一种强大的氧化剂。

该反应的半反应方程式（离子-电子方程式）如下所示。

在酸性条件下，IO3-离子会氧化碘离子生成碘。

（i）请推断IO3-、I-和I2内碘的氧化数。

（3分）
（ii）请书写KIO3与KI的水溶液在酸性条件下反应的离子方程式。

（2分）
AQA,2000
8、(a) 当金属银还原酸溶液中的NO3-，会生成一氧化氮NO。

请推断NO和NO3-内氮的氧
化态。

（b）请书写酸性溶液中NO3-发生还原反应生成一氧化氮和水的半反应方程式。

（c）请书写金属银氧化生成Ag+（aq）离子的半反应方程式。

（d）并推断金属银与硝酸根离子在酸溶液中发生反应的总反应方程式。

（5分）
AQA,2006。