氧化与还原的基本概念

铁器生锈、木柴燃烧、漂白粉褪色——这些日常现象看似毫无关联，背后却隐藏着同一类化学变化的本质。化学家们用了两百多年时间，逐步揭开了这类变化的真相：某些元素的化合价发生了改变，电子在物质之间发生了转移。

生活中的氧化还原现象

铁锅放置一夜，表面便出现红棕色斑点；苹果切开后，果肉迅速变黄变褐；燃烧的蜡烛释放光和热；工业高炉把铁矿石炼成金属铁。这些变化各不相同，却都属于同一大类反应——氧化还原反应。

早期化学家把这类反应的共同特征描述为：有氧元素的得失。随着研究深入，人们发现更多反应中并没有氧的参与，但同样具有相似的本质。于是现代化学把判断标准从“有无氧的参与”升级为“有无化合价的变化”。

从上表可以看出，有化合价变化的反应都属于氧化还原反应，而仅仅是物质分散溶解的过程则不属于。

氧化反应

物质与氧气反应，或者更广义地说，物质中某元素化合价升高，都称为氧化反应。

最直观的例子是碳的燃烧。把木炭点燃，它在空气中剧烈燃烧，生成无色无味的二氧化碳：

$\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{CO}_2$

碳的化合价从 $0$ 升高到 $+4$，碳“得到了氧”，这就是最经典的氧化反应。

铜片在酒精灯上加热，表面迅速变黑，原来光亮的铜变成了黑色的氧化铜：

$2\text{Cu} + \text{O}_2 \xrightarrow{\Delta} 2\text{CuO}$

铜的化合价从 $0$ 升高到 $+2$，铜同样发生了氧化反应。

例题： 硫磺在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰，写出反应方程式并分析化合价变化。

$\text{S} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{SO}_2$

硫的化合价：$0 \rightarrow +4$，升高，硫发生氧化反应。

下表整理了几种常见物质被氧化的情况：

还原反应

与氧化反应相对，物质“失去氧”，或者某元素化合价降低，就称为还原反应。

黑色的氧化铜在高温下遇到碳，会失去氧，重新变回红色的铜：

$2\text{CuO} + \text{C} \xrightarrow{\text{高温}} 2\text{Cu} + \text{CO}_2\uparrow$

CuO 中铜的化合价从 $+2$ 降低到 $0$，CuO“失去了氧”，发生了还原反应。

工业高炉炼铁是更大规模的还原反应。铁矿石的主要成分是 $\text{Fe}_2\text{O}_3$，在高炉中被一氧化碳还原：

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{\text{高温}} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$

$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 中铁的化合价从 $+3$ 降低到 $0$，生成了金属铁。整个炼铁过程的本质，就是把氧化态的铁“还原”回金属铁。

例题： 氢气还原氧化铜，写出反应方程式并分析化合价变化。

$\text{CuO} + \text{H}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$

CuO 中铜的化合价：$+2 \rightarrow 0$，降低，CuO 发生还原反应。

氧化与还原总是相伴而生

一个关键规律：氧化反应和还原反应永远同时发生，不存在“单独的氧化”或“单独的还原”。

以氢气还原氧化铜为例：

$\text{CuO} + \text{H}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$

CuO 失去的氧，正好被 H₂ 得到。没有 H₂“接收”这个氧，CuO 就无法失去它。两者的反应方向相反，但只能在同一个反应中同时完成。

工业炼铁的道理完全相同：

现代视角：电子的得与失

早期用“得氧失氧”来定义氧化还原，只能解释含氧物质参与的反应。但有些反应中根本没有氧的参与，却同样有化合价的变化。

钠在氯气中燃烧，发出明亮的火焰，生成白色固体氯化钠：

$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl}$

这个反应里没有氧，但 Na 的化合价从 $0$ 升高到 $+1$，Cl 的化合价从 $0$ 降低到 $-1$。本质上，钠原子把一个电子“交给”了氯原子。

这正是现代定义的核心：氧化还原反应的本质是电子的转移。

$\underset{0}{2\text{Na}} + \underset{0}{\text{Cl}_2} \rightarrow \underset{+1\ -1}{2\text{NaCl}}$

再看铁与硫酸铜溶液的反应：

$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$

铁片放入蓝色的硫酸铜溶液中，铁片上会逐渐析出红色的铜，溶液蓝色变浅。

无论有没有氧气参与，只要有化合价的升降变化（即电子的转移），就是氧化还原反应。

如何判断氧化还原反应

判断一个反应是否属于氧化还原反应，步骤如下：

第一步，标出反应前后各元素的化合价。

第二步，比较反应前后化合价是否发生变化。

第三步，有化合价变化则是氧化还原反应，无变化则不是。

下表对比了几个典型反应的判断结果：

练习题

选择题

计算题

第5题 实验室制备氯气的反应如下：

$\text{MnO}_2 + 4\text{HCl}(\text{浓}) \xrightarrow{\Delta} \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

（1）标出 Mn 和 Cl 在反应前后的化合价，判断哪种物质发生了氧化反应，哪种物质发生了还原反应。

（2）若生成 $2.24\text{ L}$（标准状况）的 $\text{Cl}_2$，计算参与氧化反应的 HCl 的物质的量。

第6题 铁与稀硫酸反应的方程式为：

$\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4(\text{稀}) \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\uparrow$

（1）判断 Fe 和 H 在反应前后化合价的变化，指出各自发生了什么反应。

（2）将 $5.6\text{ g}$ 铁（相对原子质量为 56）与足量稀硫酸充分反应，计算转移的电子物质的量。

$\text{HCl}$ 中 Cl 的化合价为 $-1$；产物 $\text{Cl}_2$ 中 Cl 的化合价为 $0$。化合价升高，部分 HCl 发生氧化反应。

注意：每摩尔反应消耗 4 mol HCl，其中 2 mol HCl 的 Cl 化合价升高到 0（生成 $\text{Cl}_2$，发生氧化），另外 2 mol HCl 的 Cl 化合价保持 $-1$ 不变（生成 $\text{MnCl}_2$，未参与氧化还原）。

（2）生成 $\text{Cl}_2$ 的物质的量：

$n(\text{Cl}_2) = \frac{V}{V_m} = \frac{2.24\text{ L}}{22.4\text{ L/mol}} = 0.1\text{ mol}$

每生成 1 mol $\text{Cl}_2$，需要 2 mol HCl 的 Cl 化合价升高，所以参与氧化反应的 HCl 为：

$n(\text{HCl，氧化部分}) = 2 \times n(\text{Cl}_2) = 2 \times 0.1 = 0.2\text{ mol}$

答： 参与氧化反应的 HCl 为 $0.2\text{ mol}$。

每个 Fe 原子化合价从 0 升高到 +2，即每个 Fe 原子失去 2 个电子，因此转移电子的物质的量为：

$n(\text{转移电子}) = 2 \times n(\text{Fe}) = 2 \times 0.1\text{ mol} = 0.2\text{ mol}$

答： 反应转移电子 $0.2\text{ mol}$。