氧化还原反应

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氧化还原反应（英语：Reduction-oxidation reaction）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。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。

钠“给予”氟一个外层电子，使它们结合形成氟化钠。钠原子被氧化，氟被还原。

当将几滴甘油（温和还原剂）加入粉状高锰酸钾（强氧化剂）中时，会发生剧烈的氧化还原反应并伴随自燃。

氧化反应指还原剂失去电子，化合价上升；而还原反应是指氧化剂得到电子，化合价下降。

还原剂　+　氧化剂　→　氧化产物（氧化数升高）　+　还原产物（氧化数降低）

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︰

${\displaystyle Xe^{-}+Y\to X+Ye^{-}}$

${\displaystyle Xe^{-}}$被氧化（oxidized）， ${\displaystyle Y}$被还原（reduced）。

定义

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，亦是广义氧化还原的定义^[1]。

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^[2]，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

得到氧叫氧化，是最直接的想法。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^[3]等）等是还原反应。

范例

氧化还原反应。

还原
Oxidant + e^– ⟶ Product
(得到电子) (氧化数降低)

氧化
Reductant ⟶ Product + e^–
(失去电子) (氧化数升高)

氧化还原反应的两个部分

铁锈

篝火

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

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

而氧化半反应式为：

${\displaystyle {\ce {{C2O4}^{2-}-> 2CO2 + 2e-}}}$

将两式中的电子消除得到：

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

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

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

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：

${\displaystyle {\ce {2SO2(4) + O2 -> 2SO3(6)}}}$

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：

${\displaystyle {\ce {SO2(4) + 2H2S -> 3S(0) + 2H2O}}}$

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。

氧化还原反应的表现

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。

与电化学的关系

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。

生物学中的氧化还原反应

酶促褐变是大多数水果和蔬菜中发生的氧化还原反应的一个例子。

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。^[4]

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：

C
6H
12O
6 + 6 O
2 → 6 CO
2 + 6 H
2O + 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 CO
2 + 6 H
2O + 光能 → C
6H
12O
6 + 6 O
2

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。

地质学中的氧化还原反应

捷克共和国特日内瓦钢铁厂高炉.

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堆。产生铁水的主要化学反应是：^[5]

Fe
2O
3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO
2

土壤中的氧化还原反应

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。^[6]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。^[7][8]

参见

• 氧化 - 还原 - 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
• 化学方程式#氧化还原反应化学方程式的配平
• 氧化还原电位
• 还原剂
• 放热过程