醫(yī)用化學(xué)/氧化還原

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醫(yī)用化學(xué)

氧化還原與電極電位
- 氧化還原
- 電極電位
- 電極電位的應(yīng)用

醫(yī)用化學(xué)目錄

一、氧化還原的概念

（一）元素的氧化數(shù)

元素的氧化素是指分子中各原子所表現(xiàn)出來的形式電荷數(shù)。確定元素氧化數(shù)的原則是：

1．在單質(zhì)的氧化數(shù)為零。

2．在簡(jiǎn)單離子中，元素的氧化數(shù)等于該離子所帶的電荷數(shù)。例如，Na+中Na的氧化數(shù)為+1，S2-中S的氧化數(shù)為-2。

3．氧在化合物中的氧化數(shù)為-2（過氧化物如H2O2中，氧的氧化數(shù)為-1，氫在化合物中的氧化數(shù)為+1，（金屬氫化物如CaH2中，氫的氧化數(shù)為-1）。

4．分子中各元素氧化數(shù)的代數(shù)和等于零。

在離子化合物中元素的氧化數(shù)和它的化合價(jià)是一致的；在共價(jià)化合物中元素的氧化數(shù)與它的共價(jià)有所不同。氧化數(shù)有正、負(fù)之分，而共價(jià)則無正、負(fù)。元素的化合價(jià)只能是整數(shù)，而元素的氧化數(shù)可是整數(shù)彵可是分?jǐn)?shù)。

例1：求Na2S4O6中S的氧化數(shù)。

解：設(shè)Na2S4O6中S的氧化數(shù)為x：

2×1+4x+6×（-2）=0

4x=10

x=+（5/2）

即Na2S4O6中S的氧化數(shù)為+（5/2）。

（二）氧化還原的概念

在化學(xué)發(fā)展的初期，氧化是指物質(zhì)與氧化合的過程，還原是指物質(zhì)失去氧的過程。例如，汞與氧化合生成的氧化汞時(shí)，汞被氧化生成氧化汞。

2Hg+O2 →2HgO

相反地，當(dāng)氧化汞加熱分解成汞和氧時(shí)，氧化汞失去氧被還原成汞。

2HgO→2Hg+O2

以后氧化還原的概念擴(kuò)大了，認(rèn)為物質(zhì)失去氫的過程也是氧化，與氫結(jié)合的過程則是還原。這種去氫氧化（即脫氫氧化），加氫還原的概念，在有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)中應(yīng)用較為廣泛。例如，乙醇脫氫被氧化成乙醛。

丙酮加氫被還原成異丙醇。

然而，這些概念不能應(yīng)用到?jīng)]有氫和氧參加的氧化還原反應(yīng)上，也沒有指出氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

現(xiàn)在認(rèn)為，氧化還原反應(yīng)的特征是在反應(yīng)前后某些元素的氧化數(shù)有了改變，其實(shí)質(zhì)是物質(zhì)之間有電子的得失。因此，有些反應(yīng)雖然沒有氧或氫參加，但由于有氧化數(shù)的改變，即有電子的得失，所以也是氧化還原反應(yīng)。例如，鋅與銅離子的反應(yīng)。

Zn+Cu²⁺→Zn²+Cu

反應(yīng)中，每個(gè)鋅原子失去兩個(gè)電子，變?yōu)殇\離子，氧化數(shù)由零升高到+2，鋅被氧化是還原劑；每個(gè)銅離子接受兩個(gè)電子，變?yōu)殂~，氧化數(shù)由+2降低到零，銅離子被還原是氧化劑。

Zn-2e^-→Zn²⁺(氧化反應(yīng))

Cu²⁺＋2e^-→Cu　(氧化反應(yīng))

我們把物質(zhì)失去電子（元素的氧化數(shù)升高）的過程稱為氧化；物質(zhì)得到電子（元素的氧化數(shù)降低）的過程稱為還原。在任何化學(xué)反應(yīng)中，若有得到電子的物質(zhì)，必然有失去電子的物質(zhì)，且得失電子總數(shù)相等，因而氧化與還原必定同時(shí)發(fā)生。

二、氧化劑與還原劑的共軛關(guān)系

在氧化還原反應(yīng)中，還原劑被氧化，生成與之共軛的氧化劑。

同理，在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑被還原，生成與之共軛的還原劑。

因此，氧化劑與還原劑的共軛關(guān)系可用下式表示：

氧化劑與還原劑的共軛關(guān)系

一種還原劑要失去電子表現(xiàn)出可被氧化的性質(zhì)，只有在能得到電子可被還原的另一種氧化劑的存在下才能實(shí)現(xiàn)，即

例如，在　Zn +Cu²⁺＝Cu+Zn²⁺反應(yīng)中，還原劑1Z失去電子，氧化數(shù)升高，其產(chǎn)物為氧化化劑₁Zn²⁺；氧化劑₂Cu²⁺得到電子，氧化數(shù)降低，其產(chǎn)物為還原劑₂Cu。這樣Zn與Zn²⁺，Cu²⁺與 Cu構(gòu)成了如下兩個(gè)共軛的氧化還原電對(duì)：

Zn²+/Zn Cu²+/Cu

（氧化劑）（還原劑）　（氧化劑）（還原劑）

在氧化還原電對(duì)中，氧化數(shù)高的物質(zhì)為氧化型物質(zhì)，氧化數(shù)低的物質(zhì)為還原型物質(zhì)。如果還原劑越強(qiáng)（失去電子的能力越大），則其共軛的氧化劑越弱（得到電子的能力越小）；如果氧化劑越強(qiáng)，則其共軛的還原劑越弱。例如，在MnO-4/Mn2+電對(duì)中，MnO4是一個(gè)強(qiáng)氧化劑，Mn2+是一個(gè)弱還原劑。氧化還原反應(yīng)是按較強(qiáng)的氧化劑和較強(qiáng)的還原劑相互作用方向進(jìn)行的。

三、氧化還反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系

在氧化還原反應(yīng)中，氧化劑與還原劑之間是按一定化學(xué)計(jì)量關(guān)系相互作用的。對(duì)于任何一個(gè)氧化還原反應(yīng)：

aA+bB===dD+eE

當(dāng)反應(yīng)達(dá)到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，amol（氧化劑）恰與bmol（還原劑）完全作用，也就是說對(duì)于一個(gè)能定量進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)方程式中氧化劑與還原劑物質(zhì)的系數(shù)比，就是反應(yīng)中氧化劑與還原劑相互作用的物質(zhì)的量之比，即

n_A：n_B=a：b　（6-1）

如果已知氧化劑或還原劑物質(zhì)的量，通過上式可以計(jì)算出還原劑或氧化劑物質(zhì)的量。例如，2KMnO4+5H2O2+3H2SO4====2MnSO4+K2SO4+8H2O+5O2

從反應(yīng)式中知，2mol KMnO4與5mol H2O2完全作用，若已知KMnO4物質(zhì)的量，可以求出H2O 2物質(zhì)的量。