氧化还原反应课件

氧化还原反应欢迎来到氧化还原反应的精彩世界！这种反应在我们的日常生活和工业生产中无处不在，从呼吸作用到金属冶炼，从电池工作到环境保护氧化还原反应是化学变化的核心，它涉及电子的转移和元素氧化数的变化通过本课程，我们将深入探讨这一基础化学概念的各个方面，包括定义、判断方法、配平技巧以及广泛的应用让我们一起揭开氧化还原反应的奥秘，理解支撑我们现代生活的化学变化！课程目标掌握基础概念掌握反应配平理解氧化还原反应的基本定义，学习氧化还原反应方程式的配平氧化剂与还原剂的概念，以及氧方法，包括氧化数法、离子电子化数的计算规则和应用建立对法和半反应法，能够独立完成复电子转移本质的清晰认识杂方程式的配平理解实际应用探索氧化还原反应在日常生活、工业生产和环境保护中的广泛应用，理解其在现代科技中的重要性氧化还原反应的定义电子转移视角氧化数变化视角12氧化还原反应是指反应过程中从氧化数角度看，氧化还原反发生电子转移的化学反应一应是指反应过程中至少有一种个物质失去电子（被氧化）的元素氧化数发生变化的反应同时，必然有另一个物质得到氧化数增大的元素被氧化，氧电子（被还原）化数减小的元素被还原得失氧视角3早期定义物质得到氧原子的过程称为氧化，失去氧原子的过程称为还原这种定义适用范围有限，但在某些情况下仍然实用氧化还原反应的历史早期认识118世纪，科学家最初将氧化反应定义为物质与氧气结合的过程氧化一词源于此还原则被认为是从化合物中移除氧的过程概念扩展219世纪，随着对非氧反应的研究，科学家将氧化还原概念扩展到包括氢的得失得氢为还原，失氢为氧化现代理论320世纪初，随着电子理论的发展，氧化还原反应被重新定义为电子转移过程这一定义至今仍是我们理解氧化还原反应最准确的方式当代应用4如今，氧化还原反应理论已成为理解从电池工作到生物代谢等众多过程的基础，在现代化学、生物学和材料科学中占据核心地位氧化的概念电子转移定义氧化数变化实际表现从现代电子理论角度看，氧化是指原子、氧化也可以理解为元素氧化数增大的过程在实际反应中，氧化往往表现为物质与氧离子或分子失去电子的过程当一个物质例如，当铁从变为时，铁的氧结合、失去氢或失去电子的过程例如，Fe²⁺Fe³⁺被氧化时，它的电子数量减少，使其带更化数从增加到，表明铁被氧化铁生锈、酒精被氧化为醛等都是典型的氧+2+3多的正电荷或更少的负电荷化过程还原的概念电子获得从现代电子理论角度看，还原是指原子、离子或分子获得电子的过程当一个物质被还原时，它的电子数量增加，带更少的正电荷或更多的负电荷氧化数减小还原也可以理解为元素氧化数减小的过程例如，当铜从Cu²⁺变为时，铜的氧化数从减少到，表明铜被还原Cu+20实际表现在实际反应中，还原往往表现为物质失去氧、获得氢或获得电子的过程例如，氧化铜被碳还原为铜、醛被还原为醇等都是典型的还原过程氧化数的定义形式电荷中性平衡元素特性氧化数是假定化合物中在化合物中，所有原子氧化数是元素在参与化电子完全转移给电负性的氧化数代数和等于该学反应前后状态变化的更大的原子后，原子上化合物的总电荷对于重要指标，可以帮助我的假想电荷它是一个中性分子，氧化数总和们判断元素是被氧化还表示原子氧化还原状态为零；对于离子，氧化是被还原，以及反应是的数值概念数总和等于离子电荷否为氧化还原反应氧化数的计算规则元素单质1单质中的元素，其氧化数为0例如O₂、N₂、Fe、Cu、S₈中的元素氧化数均为0单原子离子2单原子离子的氧化数等于其离子电荷例如Na⁺的氧化数为+1，Cl⁻的氧多原子化合物化数为-1，Fe³⁺的氧化数为+33氢的氧化数通常为+1（除了金属氢化物中为-1）氧的氧化数通常为-2（除了过氧化物中为-1，超氧化物中为-1/2，与氟化合时为+2）代数和规则4在化合物中，所有原子的氧化数代数和等于该化合物的总电荷中性分子的氧化数总和为0，离子的氧化数总和等于离子电荷氧化数计算示例化合物元素氧化数计算说明氢的常见氧化数H₂O H+1氧的常见氧化数H₂O O-2H₂SO₄S+62+1+S+4-则2=0,S=+6KMnO₄Mn+7+1+Mn+4-则2=0,Mn=+7Fe₂O₃Fe+32Fe+3-2=则0,Fe=+3氧化还原反应的本质电子转移氧化过程氧化还原反应的本质是电子从一种物质转移到1一种物质失去电子，氧化数增加，被氧化另一种物质的过程2电子守恒还原过程4失去的电子数必须等于得到的电子数，体现能3另一种物质得到电子，氧化数减少，被还原量守恒氧化还原反应的本质是电子的转移在反应过程中，电子从还原剂转移到氧化剂，导致原子、离子或分子的氧化数发生变化这种转移必须遵循电子守恒原则，即失去的电子数量必须等于得到的电子数量理解氧化还原反应的本质，有助于我们分析和预测化学反应的方向、产物以及能量变化它是理解电池工作原理、金属腐蚀、生物代谢等许多自然和技术过程的基础氧化剂的定义得电子物质在反应中获得电子的物质1引起氧化2使其他物质被氧化的物质自身被还原3在反应过程中自身被还原的物质氧化剂是在氧化还原反应中能够得到电子，使其他物质被氧化，而自身被还原的物质从元素氧化数的角度看，氧化剂中的元素在反应前后氧化数降低，表明其获得了电子氧化剂的强弱取决于其得电子的能力强氧化剂具有很强的得电子倾向，能够从多种物质中夺取电子，引起广泛的氧化反应常见的强氧化剂包括高价态金属离子、含氧酸根离子和某些非金属单质等还原剂的定义失电子物质1在反应中失去电子的物质引起还原2使其他物质被还原的物质自身被氧化3在反应过程中自身被氧化的物质还原剂是在氧化还原反应中能够失去电子，使其他物质被还原，而自身被氧化的物质从元素氧化数的角度看，还原剂中的元素在反应前后氧化数升高，表明其失去了电子还原剂的强弱取决于其失电子的能力强还原剂具有很强的失电子倾向，能够向多种物质提供电子，引起广泛的还原反应常见的强还原剂包括活泼金属、低价态金属离子和某些非金属氢化物等常见的氧化剂高锰酸钾₄1KMnO紫色结晶，在不同酸碱条件下有不同的还原产物酸性溶液中；MnO₄⁻→Mn²⁺中性溶液中；碱性溶液中是实验室常用MnO₄⁻→MnO₂MnO₄⁻→MnO₄²⁻的强氧化剂重铬酸钾₂₂₇2K CrO橙红色结晶，在酸性条件下将还原为，颜色由橙红色变为绿色常用于有Cr²⁺Cr³⁺机化合物的氧化反应以及定量分析中的氧化还原滴定硝酸₃3HNO无色液体，浓硝酸是强氧化剂，能氧化许多金属和非金属还原产物根据条件不同可以是、、或常用于金属活动性顺序实验中NO₂NO N₂O NH₄⁺双氧水₂₂4H O无色液体，既可作氧化剂也可作还原剂，但更常见作为氧化剂使用作为氧化剂时，常用于医疗消毒和化学实验室中H₂O₂→H₂O常见的还原剂活泼金属1钾K、钠Na、钙Ca、镁Mg、铝Al、锌Zn、铁Fe等活泼金属都是良好的还原剂它们容易失去外层电子形成阳离子，还原能力按照金属活动性顺序递减钾和钠的还原性最强，甚至能在常温下还原水碳及一氧化碳2碳C在高温下能还原许多金属氧化物，是冶金工业中重要的还原剂一氧化碳CO也是强还原剂，在高炉炼铁过程中扮演重要角色，能将氧化铁还原为铁氢气3氢气H₂是良好的还原剂，尤其在高温条件下工业上用于还原金属氧化物、制备氨和氢化反应反应式为H₂→2H⁺+2e⁻在催化条件下，氢气还可用于有机物的加氢反应硫化氢与二氧化硫4硫化氢H₂S和二氧化硫SO₂在许多反应中表现出还原性H₂S能还原许多金属离子，生成金属硫化物沉淀SO₂能还原强氧化剂如KMnO₄、K₂Cr₂O₇等，常用于化学分析氧化还原反应类型得失氧反应得氧反应失氧反应历史意义物质与氧气或含氧物质结合，获得氧原子物质失去氧原子的反应从现代角度看，得失氧的概念是最早的氧化还原概念，由的反应从现代角度看，这类反应中物质这类反应中物质得到电子，氧化数降低，拉瓦锡提出虽然现在我们有了更广泛的失去电子，氧化数增加，被氧化典型例被还原典型例子包括金属氧化物的还原氧化还原定义，但这种早期概念对于理解子包括金属燃烧、有机物燃烧等、某些分解反应等与氧相关的反应仍然很有帮助例如（氧化汞热分2HgO→2Hg+O₂例如（镁燃烧）解）2Mg+O₂→2MgO氧化还原反应类型电子转移反应直接电子转移电子从一种物质直接转移到另一种物质的反应这类反应通常发生在金属与非金属离子之间，或不同价态的金属离子之间间接电子转移电子通过中间物质传递的反应如在电解池中，电子通过外电路和电解质溶液完成转移，实现远距离的氧化还原反应复杂电子转移多组电子转移同时发生的复杂反应如有机物的氧化还原反应，可能涉及多个原子的氧化数变化和多次电子转移从现代观点看，所有氧化还原反应的本质都是电子转移反应理解电子转移方式有助于分析反应机理和预测反应产物电子转移反应在生物体内尤为重要，如呼吸作用中的电子传递链和光合作用中的电子传递过程氧化还原反应类型氧化数变化反应氧化数增加氧化数减少氧化数互换元素氧化数增加的过程元素氧化数减少的过程在某些反应中，不同元称为氧化如铁从称为还原如铜从素的氧化数可能互相交Fe²⁺Cu²⁺变为，氧化数从变为，氧化数从换如在置换反应Fe³⁺+2Cu+2Fe+增加到；碳从变减少到；氮从变+3CH₄0HNO₃CuSO₄→FeSO₄+Cu为，氧化数从增为，氧化数从减中，铁的氧化数从变CO₂-4NO+50加到这些都是元素少到这些都是元素为，而铜的氧化数从+4+2+2被氧化的例子被还原的例子变为+20通过观察元素氧化数的变化，我们可以判断反应是否为氧化还原反应，以及哪些元素被氧化、哪些元素被还原这是分析氧化还原反应最系统和广泛适用的方法氧化还原反应的判断方法计算反应前后元素的氧化数根据氧化数规则，计算反应物和生成物中各元素的氧化数对于复杂化合物，可以利用化合物电荷平衡和元素常见氧化数规律进行计算比较氧化数变化对比反应前后每种元素的氧化数，判断是否有元素的氧化数发生了变化如果至少有一种元素的氧化数发生变化，则为氧化还原反应识别氧化剂和还原剂氧化数增加的元素被氧化，包含这些元素的物质是还原剂；氧化数减少的元素被还原，包含这些元素的物质是氧化剂注意区分元素和化合物的角色电子得失平衡检验在氧化还原反应中，氧化过程失去的电子数量必须等于还原过程得到的电子数量这可以作为反应是否平衡的检验方法氧化还原反应方程式的配平配平的重要性配平的挑战配平的步骤配平氧化还原反应方程式是理解化学计量氧化还原反应方程式通常比一般反应更复无论采用哪种方法，配平都需要考虑元素关系的基础正确配平的方程式反映了物杂，涉及多种元素和多个电子转移，直接平衡和电子平衡首先确定反应物和产物质转化的量的关系，符合质量守恒和电荷使用常规方法配平困难需要特殊的配平，然后确定氧化数变化，最后通过调整系守恒定律，是进行化学计算的前提方法，如氧化数法、离子电子法或半反应数使反应平衡法配平方法氧化数法确定氧化还原元素1首先写出反应物和产物的化学式，计算反应前后各元素的氧化数，找出氧化数发生变化的元素，确定哪些元素被氧化，哪些元素被还原计算电子转移数2计算氧化元素和还原元素的氧化数变化值，并乘以对应原子数，得到转移的电子总数例如，如果铁从Fe²⁺变为Fe³⁺，每个铁原子转移1个电子平衡电子转移3根据电子守恒原则，失去的电子数等于得到的电子数通过调整氧化剂和还原剂的系数，使电子转移数相等，形成最小整数比平衡其他元素4在氧化还原部分平衡的基础上，继续调整其他物质（如H⁺、OH⁻、H₂O等）的系数，直到所有元素和电荷都平衡配平方法离子电子法拆分为半反应将完整的氧化还原反应拆分为氧化半反应和还原半反应氧化半反应中元素的氧化数增加，还原半反应中元素的氧化数减少平衡核心元素在每个半反应中，首先平衡发生氧化还原的核心元素的原子数确保这些元素在反应两侧的数量相等平衡氧和氢酸性条件下用平衡原子，用平衡原子；碱性条件下用平衡原子，用平衡原子根据反应环境选择适当的平衡方式H₂O OH⁺H OH⁻H H₂O O平衡电荷在每个半反应中加入适量的电子，使两侧的总电荷相等氧化半反应在产物侧加电子，还原半反应在反应物侧加电子e⁻合并半反应将两个半反应的系数调整至电子数相等，然后合并消去两侧相同的物质（如电子），得到完整平衡的离子方程式配平方法半反应法拆分反应平衡元素1将反应分为氧化半反应和还原半反应在各半反应中分别平衡所有元素2调整系数平衡电荷4使两半反应中电子数相等后合并3添加电子使各半反应两侧电荷平衡半反应法本质上与离子电子法相似，但更适用于复杂的氧化还原反应，特别是涉及有机物的反应这种方法在生物化学和电化学领域应用广泛半反应法的关键在于正确拆分反应并平衡每个半反应在酸性条件下，用和平衡氢和氧；在碱性条件下，用和平衡这种方法的优势H⁺H₂O OH⁻H₂O在于能够清晰地展示电子转移过程，有助于理解反应机理氧化还原反应配平示例1反应方程式以硫酸酸性条件下高锰酸钾氧化亚铁离子的反应为例KMnO₄+FeSO₄+H₂SO₄→K₂SO₄+MnSO₄+Fe₂SO₄₃+H₂O氧化数分析的氧化数从中的变为中的，减少，被还原；的氧化数Mn KMnO₄+7MnSO₄+25Fe从中的变为中的，增加，被氧化FeSO₄+2Fe₂SO₄₃+31电子平衡；每个原子得到个电子，需要Mn⁷⁺+5e⁻→Mn²⁺×1Fe²⁺→Fe³⁺+e⁻×5Mn55个原子各失去个电子才能平衡Fe1配平结果2KMnO₄+10FeSO₄+8H₂SO₄→K₂SO₄+2MnSO₄+5Fe₂SO₄₃+8H₂O氧化还原反应配平示例2问题分析氧化数变化电子平衡与最终结果配平酸性条件下重铬酸钾氧化乙醇的反应的氧化数从中的变为Cr K₂Cr₂O₇+6Cr₂O₇²⁻+14H⁺+6e⁻→2Cr³⁺+7H₂O中的，减少，被还原；K₂Cr₂O₇+C₂H₅OH+H₂SO₄→Cr₂SO₄₃+33×1C₂H₅OH+H₂O→CH₃COOH+K₂SO₄+Cr₂SO₄₃+CH₃COOH+H₂O4H⁺+4e⁻×

1.5的氧化数在中，两个原子C C₂H₅OH C这是一个典型的有机物被氧化的反应，涉的氧化数分别为和；在中配平后的方程式-3-1CH₃COOH2K₂Cr₂O₇+3C₂H₅OH及元素和元素的氧化数变化，两个原子的氧化数分别为和第Cr CC-3+3+8H₂SO₄→2K₂SO₄+2Cr₂SO₄₃+二个原子的氧化数从变为，增加C-1+343CH₃COOH+11H₂O，被氧化氧化还原反应配平示例3让我们配平碱性条件下的氧化还原反应MnO₄⁻+CN⁻+H₂O→MnO₂+CNO⁻+OH⁻分析氧化数变化Mn从+7变为+4，减少3，被还原；C从CN⁻中的+2变为CNO⁻中的+4，增加2，被氧化使用离子电子法MnO₄⁻+2H₂O+3e⁻→MnO₂+4OH⁻×1；CN⁻+2OH⁻→CNO⁻+H₂O+2e⁻×

1.5配平后的方程式2MnO₄⁻+3CN⁻+H₂O→2MnO₂+3CNO⁻+2OH⁻氧化还原反应在日常生活中的应用烹饪中的氧化还原水果褐变金属锈蚀食物烹饪过程中充满氧化还原反应肉类苹果、梨等水果切开后变褐是典型的氧化铁制品生锈是铁被氧气和水氧化的过程褐变是蛋白质氧化的结果，产生美拉德反反应水果中的多酚氧化酶催化多酚类物铁首先失去电子被氧化为，然后继续Fe²⁺应，形成香气和色泽抗氧化剂如维生素质被氧气氧化，生成醌类化合物，继而形氧化为，形成氢氧化铁或氧化铁水合C Fe³⁺、维生素可抑制食物氧化变质，延长保质成黑色素柠檬汁中的维生素可抑制这一物，即我们看到的铁锈这一过程会破坏E C期过程金属结构金属的腐蚀与防护电化学腐蚀阳极氧化1金属腐蚀通常是电化学过程金属作为阳极失去电子被氧化2防护方法阴极还原4涂层、牺牲阳极、阴极保护等防腐技术3氧气或氢离子作为阴极得到电子被还原金属腐蚀是一种典型的氧化还原反应，特别是铁的锈蚀在潮湿环境中，铁表面形成微观电池，铁作为阳极被氧化（），而氧气作为Fe→Fe²⁺+2e⁻阴极被还原（）O₂+2H₂O+4e⁻→4OH⁻防止金属腐蚀的方法包括涂覆保护层（油漆、塑料）隔绝氧气和水；电镀形成保护性金属层；牺牲阳极保护（如船体使用锌块）；添加缓蚀剂；阴极保护等铝表面的氧化膜是自然形成的保护层，使铝具有良好的耐腐蚀性电池的工作原理原电池锂离子电池燃料电池原电池是最基本的电池类型，利用自发氧锂离子电池是现代常用的二次电池充电燃料电池持续供应燃料和氧化剂产生电能化还原反应产生电流由两个不同电极（时，锂离子从正极（如钴酸锂）脱嵌，经如氢燃料电池阳极；H₂→2H⁺+2e⁻阳极和阴极）、电解质溶液和导线组成电解质迁移到负极（如石墨）嵌入；放电阴极电子通O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O阳极发生氧化反应释放电子，阴极发生还时过程相反电子则通过外电路从负极流过外电路从阳极流向阴极，氢离子通过电原反应接收电子向正极产生电流解质膜迁移电解的基本原理非自发过程电解是利用外加电能使非自发氧化还原反应进行的过程与原电池相反，电解池需要外部电源提供能量才能发生反应电极反应正极（阳极）发生氧化反应，负极（阴极）发生还原反应这与原电池中的电极名称相反，但反应类型一致阳极氧化，阴极还原——电解产物电解过程的产物取决于电解质成分水溶液电解时，除了溶质离子外，水也可能参与电极反应，影响最终产物电解在工业上有广泛应用，如金属冶炼（铝电解）、电镀、氯碱工业等法拉第电解定律指出，电极上析出物质的量与通过的电量成正比，与物质的化学当量成正比电解时，同等条件下还原能力强的离子优先在阴极得到电子，氧化能力强的离子优先在阳极失去电子化学电源一次电池二次电池12又称原电池或一次性电池，放又称蓄电池或可充电电池，放电后无法充电再用典型的一电后可通过外加电源充电再用次电池包括锌锰干电池、碱性主要类型包括铅酸蓄电池、电池和锂一次电池锌锰电池镍镉电池、镍氢电池和锂离子利用锌（阳极）与二氧化锰（电池锂离子电池因其高能量阴极）之间的氧化还原反应提密度和长循环寿命，成为现代供电能，成本低但能量密度较电子设备的主流电源小燃料电池3连续供应反应物的电池，燃料与氧化剂在电池中反应产生电能氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，反应生成水，被视为清洁能源甲醇燃料电池则以甲醇为燃料，适用于便携设备金属的冶炼矿石预处理包括破碎、研磨、选矿等步骤，提高矿石中有用金属的含量选矿通常利用物理或化学方法将有用矿物与脉石分离，如浮选法和重力分选法还原过程从矿石中提取金属的核心环节，通常是一个氧化还原过程根据金属活泼性不同，采用不同还原剂活泼金属（如钠、镁）需要电解法；中等活泼金属（如铁、锌）用碳或一氧化碳还原；不活泼金属（如铜、银）有时可直接加热分解精炼提纯去除粗金属中的杂质，提高纯度方法包括火法精炼（如硫酸铜溶液精炼铜）、电解精炼（如电解精炼铜）和真空蒸馏（如精炼锌）等以铁的冶炼为例，高炉炼铁过程中发生的主要氧化还原反应包括碳与氧气反应生成二氧化碳和一氧化碳；一氧化碳还原铁的氧化物生成铁和二氧化碳氧化还原反应在整个冶金过程中起核心作用氧化还原滴定氧化还原滴定是利用氧化还原反应进行定量分析的方法其基本原理是用已知浓度的氧化剂或还原剂标准溶液与待测物质反应，根据反应消耗的标准溶液体积，计算待测物质的含量常见的氧化还原滴定方法包括高锰酸钾法（酸性条件下，紫色高锰酸钾变为无色锰离子的颜色变化作为终点）；重铬酸钾法（需使用指示剂如二苯胺磺酸钠）；碘量法（以碘与淀粉形成蓝色复合物的消失作为终点）；铈量法等这些方法广泛应用于药品分析、环境监测和工业质量控制漂白剂的原理氧化漂白含氯漂白剂大多数漂白剂通过氧化作用去除如次氯酸钠（，主要成分NaClO色素色素通常含有共轭双键结是消毒液）在水溶液中产生84构，对光有选择性吸收，表现出次氯酸（），具有强氧化性HClO颜色漂白剂破坏这些共轭结构，能氧化大多数有色物质ClO⁻，使其无法吸收可见光，从而达，是+H₂O=HClO+OH⁻HClO到漂白效果主要的漂白活性成分含氧漂白剂如过氧化氢（）、过硼酸钠（）等这类漂白剂在适当条件H₂O₂NaBO₃下分解产生活性氧，氧化色素分子相比含氯漂白剂，含氧漂白剂更环保，但漂白效果较弱，通常需要在高温条件下使用摄影的化学原理感光材料显影过程定影过程传统摄影使用的是含有卤化银（主要是溴显影是一个化学还原过程显影剂（如对定影是为了稳定图像，防止未曝光的卤化化银）的感光胶片卤化银晶体在苯二酚）是还原剂，将曝光后的卤化银颗银在光下继续感光定影剂（如硫代硫酸AgBr光照射下发生光化学反应，银离子粒中的银离子还原为金属银曝光越多的钠）能溶解未被还原的卤化银，Ag⁺Na₂S₂O₃得到电子被还原为银原子，形成潜影区域，形成的金属银越多，显得越黑形成可溶性的络合物，从Ag[AgS₂O₃₂]³⁻胶片上洗去。