氧化还原反应和电位

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1、第五章氧化还原反应和电位氧化还原反应是自然界存在的一大类非常重要的化学反应，它们对于地球和生命体的产生、进化以及繁衍生息都有着极为特殊的意义。它在生命过程中扮演着十分重要的角色，如：光合作用、呼吸过程、能量转换、新陈代谢、神经传导等等。又如人体动脉血液中的血红蛋白(Hb)同氧结合形成氧合血红蛋白(HbO2)，通过血液循环氧被输送到体内各部分，以氧合肌红蛋白(MbO2)的形式将氧贮存起来，人需要氧的时候，氧合肌红蛋白释放出氧将葡萄糖氧化，并放出能量。生命过程中能量的获取和多种疾病的发生也属于氧化还原反应。心电、脑电、肌电等生物电现象，

2、都与氧化还原反应中电子转移所产生的电池电动势有关。本章首先介绍氧化还原反应的一般特征；然后重点讨论电极电位产生的原因、影响电极电位的因素和电极电位对氧化还原反应的影响，并简单介绍与此相关的pH计和生物传感器。第一节氧化还原反应一、氧化值为表示各元素在化合物中所处的化合状态，无机化学中引进了氧化值(oxidationnumber)的概念，氧化值又称为氧化数。1970年纯粹和应用化学国际联合会（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,缩写为IUPAC）对其给出的定义是：氧化值是某元素一个原

3、子的荷电数，这种荷电数是假设把每个键中的电子指定给电负性较大的原子而求得。28在离子化合物中，简单阳离子、简单阴离子所带的电荷数即该元素原子的氧化数。例如：在NaCl中Na的氧化数为+1，Cl的氧化数为−1。　　对共价化合物来说，共用电子对偏向吸引电子能力较大的原子，在HCl中，Cl原子的形式电荷为−1，H原子的形式电荷为+1。为了便于确定元素原子的氧化数，根据元素氧化值的定义，有如下几条求算元素氧化值的规则：1.在电中性的化合物中，所有元素的氧化值之和为零。2.单原子离子的氧化值等于它所带的电荷数；多原子离子中所有元素的氧化值之和

4、等于该离子所带的电荷数。3.氢在化合物中的氧化值一般为+1，但在金属氢化物中，如NaH、CaH2中，H的氧化值为−1。氧在化合物中的氧化值一般为−2，但在过氧化物中，如H2O2、Na2O2中，O的氧化值为−1；超氧化物中，如KO2中，O的氧化值为−1/2；在氟氧化物中，如OF2中，O的氧化数为+2。F在化合物中的氧化值均为−1。例如（1）H2O中H的氧化数为+1,O的氧化数为−2。（2）H2O2中H的氧化数为+1,O的氧化数为−1。（3）H2中H的氧化数为0。（4）HCl中Cl的氧化数为−1。（5）KCl中K的氧化数为+1。（6）K

5、MnO4中Mn的氧化数为+7。（7）SO42−中S的氧化数为+6。（8）ClO3−中Cl的氧化数为+5。（9）NH4+中N的氧化数为−3。（10）Fe3O4中Fe的氧化数为+8/3，等等。由上例可见元素的氧化值可以是整数也可以是分数（或小数）。二、氧化还原反应(一)、氧化还原反应(oxidation-reductionreaction)元素氧化数发生变化的化学反应称为氧化还原反应。元素氧化数升高（即失去电子）的过程称为氧化，含氧化数升高元素的物质叫还原剂，还原剂发生氧化反应；元素氧化数降低（即得到电子）的过程称为还原，含氧化数降低元

6、素的物质叫氧化剂,28氧化剂发生还原反应。同一反应中氧化数升高和降低的元素出自同一物质的反应叫自身氧化还原反应；自身氧化还原反应中氧化数升高和降低的是同一元素的反应叫歧化反应。例如，锌和盐酸发生的反应：Zn+2HClZnCl2+H2是氧化还原反应。其中，Zn失去了两个电子生成了Zn2+，锌的氧化值从0升到了+2，Zn被氧化，为还原剂；HCl中的氢离子得到两个电子生成了H2，氢的氧化值从+1降到了0，HCl中的氢离子被还原，HCl为氧化剂。注意：氧化还原反应的本质是反应过程中有电子转移，从而导致元素的氧化值发生变化；氧化还原反应中的电

7、子转移，既可以表示某一原子得到或失去电子，也可以表示某一原子电子的偏离或偏向。(二)、半反应和氧化还原电对在氧化还原反应中，包含氧化和还原两个过程。例如，Fe+Cu2+Cu+Fe2+所以一个氧化还原反应可以分解为氧化和还原两个半反应。每个半反应中都包含同一元素的两种不同氧化态，同一元素的两种不同氧化态构成氧化还原电对，一般把氧化数高的称为氧化态(oxidationstate，Ox)，而把氧化数低的称为还原态(reductionstate，Red)。氧化还原电对的表示方法为：氧化态/还原态（Ox/Red）。如Cu2+/Cu、Fe2+/

8、Fe。上述反应中Fe失去电子，生成Fe2+，发生氧化反应,其氧化半反应为：Fe−2e−Fe2+Cu2+得到电子，生成Cu，发生还原反应,其还原半反应为：Cu2++2e−Cu氧化还原半反应的通式为：氧化态+ne−还原态或Ox+ne−Re