氧化還原

當將幾滴甘油（輕度還原劑）添加到粉末狀的高峰鉀（強氧化劑）中時，伴有自動點的劇烈氧化還原反應開始。

氧化還原（紅色-oks ， REE -DOKS ，還原 - 氧化或氧化 - 還原）是一種化學反應，其中底物變化的氧化態。氧化是電子的損失或氧化態的增加，而還原是電子的增益或氧化態的減少。

有兩類的氧化還原反應：

電子轉移- 只有一個（通常）電子從原子氧化為降低的原子。經常以氧化還原夫婦和電極電位來討論這種氧化還原反應。
原子轉移 - 一個原子從一個底物轉移到另一種底物。例如，在鐵的生鏽中，鐵原子的氧化態隨著鐵轉化為氧化物而增加，同時，氧氣的氧化態隨著接受鐵釋放的電子而降低。儘管氧化反應通常與氧化物的形成有關，但其他化學物種可以發揮相同的功能。在氫化中，諸如C = C之類的鍵通過氫原子的轉移減少。

術語

“氧化還原”是單詞“還原”和“氧化”的港口。 “氧化還原”一詞於1928年首次使用。

氧化和還原的過程同時發生，不能獨立發生。在氧化還原過程中，還原劑將電子傳輸到氧化劑。因此，在反應中，還原劑或還原劑失去電子並被氧化，氧化劑或氧化劑獲得電子並減少。一對涉及特定反應的氧化和還原劑稱為氧化還原對。一對氧化還原夫婦是一個還原物種，其相應的氧化形式，例如，fe2+
/ fe3+
單獨的氧化和單獨的還原稱為半反應，因為總是會一起出現兩個半反應以形成整個反應。

氧化劑

氧化最初暗示與氧反應形成氧化物。後來，該術語擴展到包含類似於氧相似的化學反應的物質。最終，含義被推廣為包括涉及電子損失或化學物種氧化狀態增加的所有過程。據說具有氧化其他物質（導致它們失去電子）的能力是氧化或氧化的物質，被稱為氧化劑，氧化劑或氧化劑。氧化劑從另一種物質中去除電子，因此自身減少了。因為它“接受”電子，所以氧化劑也稱為電子受體。氧化劑通常是在高氧化態中具有元素的化學物質（例如，H
2o
2，mno-
4，CRO
3，Cr
2o2-
7，OSO
4），否則高度電負元素（例如O2，F2，Cl2，Br2，I2），可以通過氧化另一種物質來獲得額外的電子。

氧化劑是氧化劑，但該術語主要保留用於氧氣來源，特別是在爆炸的背景下。硝酸是一種氧化劑。

氧是典型的氧化劑。

還原器

據說具有減少其他物質（導致它們獲得電子）能力的物質是還原性或還原性的，被稱為還原劑，還原劑或還原劑。還原劑將電子傳輸到另一種物質，因此被氧化。由於它捐贈了電子，還原劑也稱為電子供體。電子供體還可以與電子受體形成電荷轉移複合物。簡化一詞最初是指加熱金屬礦石（例如金屬氧化物）提取金屬時的體重減輕。換句話說，將礦石“簡化”到金屬。 Antoine Lavoisier證明了這種體重減輕是由於氧氣流失是氣體。後來，科學家意識到金屬原子在此過程中獲得了電子。然後，還原的含義被概括為包括涉及電子增益的所有過程。減少等效的是指化學物種，這些物種在氧化還原反應中轉移了一個電子的等效物。該術語在生物化學中很常見。還原等效物可以是電子或氫原子作為氫化離子。

化學還原因素非常多樣化。電陽性元素金屬，例如鋰，鈉，鎂，鐵，鋅和鋁是良好的還原劑。這些金屬相對容易捐贈電子。

氫化物轉移試劑（例如Nabh ₄和Lialh ₄ ）通過原子轉移減少：它們將相當於氫化物或^h-的等效物轉移。這些試劑被廣泛用於將羰基化合物降低為醇。相關的還原方法涉及將氫氣（H ₂ ）用作H原子的來源。

電子和去電氣

電化學家約翰·博克里斯（John Bockris）提出了電子和去電位單詞，以分別描述當電極處發生時的還原和氧化過程。這些詞類似於質子化和去質子化。儘管IUPAC已經認識到電子和去電源術語術語，但它們尚未被全球化學家廣泛採用。

速率，機制和能量

氧化還原反應可能會緩慢發生，例如在生鏽的形成中，例如在燃燒燃料的情況下。電子轉移反應通常很快，發生在混合時間內。

原子轉移反應的機制是高度可變的，因為可以轉移多種原子。這種反應也可能非常複雜，涉及許多步驟。電子轉移反應的機理通過兩個不同的途徑出現，即內球電子轉移和外球電子轉移。

水中鍵能和電離能的分析允許計算氧化還原反應的熱力學方面。

標準電極電位（還原電位）

每個半反應具有標準電極電勢（EO
細胞），等於在電化學細胞的標準條件下平衡處的電勢差或電壓，在該電池的標準條件下，陰極反應是半反應的，陽極是氧化氫的標準氫電極：

1⁄2 H ₂ →H ⁺ + ^E-

每個半反應的電極電勢也稱為其還原電位（EO
紅色），或者半反應發生在陰極處時的潛力。還原電位是衡量要降低氧化劑的趨勢。其值為H++ E→1⁄2H2的值為零，氧化劑比H+（例如，F2的+2.866 V）呈陽性，而對於氧化劑的氧化劑較弱，氧化劑比H+弱（例如，對於Zn2+，-0.763V ）。

對於發生在細胞中的氧化還原反應，電位差是：

EO
單元= EO
陰極 - EO
_陽極

但是，有時將反應的電勢表示為氧化潛力：

EO
ox = - eo
_紅色的

氧化電位是對還原劑氧化的趨勢的度量，但不能代表電極處的物理電位。使用此表示法，單元電壓方程式用加號編寫

EO
單元= EO
紅色（陰極） + EO
_{牛（陽極）}

氧化還原反應的例子

在氫與氟之間的反應中，氫被氧化並減少氟：

H ₂ + F ₂ →2 HF

該反應是自發的，每2 g氫釋放542 kJ，因為HF鍵比FF鍵強得多。該反應可以分析為兩個半反應。氧化反應將氫轉化為質子：

H ₂ →2 H ⁺ + 2 ^E-

還原反應將氟轉化為氟化陰離子：

F ₂ + 2 E ^- →2 F ^-

將一半的反應組合在一起，以使電子取消：

H ₂	→	2 H + + 2 E-
F 2 + 2 E-	→	2 f ^-

H ₂ + F ₂	→	2 H ⁺ + 2 f ^-

質子和氟化物合併在非雷多斯反應中形成氟化氫：

2 H ⁺ + 2 F ^- →2 HF

總體反應是：

H ₂ + F ₂ →2 HF

金屬位移

在這種類型的反應中，化合物或溶液中的金屬原子被另一種金屬的原子代替。例如，將鋅金屬放入銅（II）硫酸鹽溶液中時，將銅沉積：

Zn（s） + CUSO ₄ （aq）→ZnSO ₄ （aq） + cu（s）

在上面的反應中，鋅金屬從硫酸銅溶液中置換了銅（II）離子，從而釋放了游離銅金屬。該反應是自發的，每65克鋅釋放213 kJ。

該反應的離子方程是：

Zn + Cu ²⁺ →Zn ²⁺ + Cu

作為兩個半反應，可以看出鋅被氧化了：

Zn→Zn ²⁺ + 2 ^E-

並減少了銅：

Cu ²⁺ + 2 E ^- →Cu

其他例子

在存在酸的情況下，硝酸鹽還原為氮（反硝化）：

2 no - 3 + 10 E ^- + 12 H ⁺ →N ₂ + 6 H ₂ O

碳氫化合物的燃燒（例如內燃燒發動機）會產生水，二氧化碳，某些部分氧化的形式，例如一氧化碳和熱能。完全氧化含有碳的材料會產生二氧化碳。
氧在有機化學中對烴的逐步氧化可產生水，並依次產生：酒精，醛或酮，羧酸，然後是過氧化物。

腐蝕和生鏽

一詞腐蝕是指金屬的電化學氧化與氧化劑（例如氧）反應。生鏽，是鐵氧化物的形成，是電化學腐蝕的一個眾所周知的例子：由於鐵金屬的氧化而形成。常見的生鏽通常是指在以下化學反應中形成的鐵（III）氧化物：

4 Fe + 3 O ₂ →2 Fe ₂ O ₃

在存在酸的情況下，過氧化氫將鐵（II）氧化至鐵（III）：

Fe ²⁺ →Fe ³ ++ ^E-

H ₂ O ₂ + 2 E ^- →2 ^OH--

在這裡，整體方程式涉及將還原方程添加到氧化方程的兩倍，以使電子取消：

2 Fe ²⁺ + H ₂ O ₂ + 2 H ⁺ →2 Fe ³⁺ + 2 H ₂ O

比例

不成比例的反應是一種物質既被氧化和還原。例如，在氧化態下用硫的硫代硫酸鹽離子可以在酸存在下反應形成元素硫（氧化態0）和二氧化硫（氧化態+4）。

S ₂ O 2-3 + 2 H ⁺ →S + SO ₂ + H ₂ O

因此，一個硫原子從+2降低到0，而另一個硫原子從+2氧化到+4。

行業的氧化還原反應

陰極保護是一種通過使其成為電化學細胞的陰極來控制金屬表面腐蝕的技術。一種簡單的保護方法將受保護的金屬連接到更容易腐蝕的“犧牲陽極”以充當陽極。犧牲金屬，而不是受保護的金屬，然後腐蝕。陰極保護的常見應用是在鍍鋅鋼中，其中鋅在鋼零件上的犧牲塗層可保護它們免受生鏽的影響。

氧化用於多種行業，例如生產清潔產物和氧化氨的產生硝酸。

氧化還原反應是電化學細胞的基礎，可以產生電能或支持電合成。金屬礦石通常在氧化態中含有金屬，例如氧化物或硫化物，在其存在還原劑的情況下，通過在高溫下冶煉從中提取純金。電鍍的過程使用氧化還原反應，將物體塗上薄層的材料覆蓋，如鍍鉻的汽車零件，銀板餐具，鍍鋅和鍍金的珠寶。

生物學的氧化還原反應

頂部：抗壞血酸（維生素C的還原形式）
底部：脫氫抗壞血酸（維生素C的氧化形式）

許多重要的生物過程涉及氧化還原反應。在這些過程中的某些過程開始之前，必須從環境中吸收鐵。

例如，細胞呼吸是葡萄糖（C ₆ H ₁₂ O ₆ ）對CO ₂的氧化，並將氧氣還原為水。細胞呼吸的摘要方程是：

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

細胞呼吸的過程還在很大程度上取決於NAD ⁺對NADH的還原和反應反應（NADH至NAD ⁺ ）的反應。光合作用和細胞呼吸是互補的，但是光合作用並不是細胞呼吸中氧化還原反應的逆轉：

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

生物能經常通過氧化還原反應儲存和釋放。光合作用涉及將二氧化碳還原為糖，並將水氧化為分子氧。反應，呼吸，氧化糖以產生二氧化碳和水。作為中間步驟，還使用還原的碳化合物將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD ⁺ ）降低到NADH，然後有助於創建質子梯度，該質子梯度驅動了三磷酸腺苷（ATP）的合成，並通過減少降低氧。在動物細胞中，線粒體執行相似的功能。

自由基反應是作為穩態的一部分發生並殺死微生物的氧化還原反應，其中電子從分子脫離，然後幾乎瞬間重新觸及。自由基是氧化還原分子的一部分，如果不重新構成氧化還原分子或抗氧化劑，則可能對人體有害。不滿足的自由基可以刺激遇到的細胞突變，因此是癌症的原因。

一詞氧化還原態通常用於描述在生物系統（例如細胞或器官）中GSH /GSSG ，NAD ⁺ /NADH和NADP ⁺ /NADPH的平衡。氧化還原狀態反映在幾組代謝產物（例如，乳酸和丙酮酸， β-羥基丁酸和乙酰乙酸酯）的平衡中，其互轉換取決於這些比率。異常的氧化還原狀態可以在多種有害情況下（例如缺氧，休克和敗血症）發展。氧化還原機制還控制了一些細胞過程。氧化還原蛋白及其基因必鬚根據線粒體和葉綠體中DNA的功能的相關假設進行共同置換氧化還原。

氧化還原循環

各種芳香族化合物的多種化合物的酶降低，形成比母體化合物多的自由基。通常，電子供體是各種各樣的黃酮酶及其輔酶。這些陰離子自由基成立後，將分子氧降低至超氧化物並再生未改變的母體化合物。淨反應是黃酮酶的輔酶的氧化和分子氧的還原以形成超氧化物。這種催化行為被描述為徒勞的循環或氧化還原循環。

地質的氧化還原反應

礦物通常是金屬的氧化衍生物。鐵被挖掘為其磁鐵礦（Fe ₃ O ₄ ）。鈦被開採為其二氧化鈦，通常以金紅石的形式（Tio ₂ ）。為了獲得相應的金屬，必須還原這些氧化物，這通常是通過用碳或一氧化碳作為還原劑加熱這些氧化物來實現的。爆炸爐是將鐵氧化鐵和可樂（一種形式）組合在一起以產生熔融鐵的反應堆。產生熔融鐵的主要化學反應為：

Fe ₂ O ₃ + 3 CO→2 Fe + 3 CO ₂

土壤中的氧化還原反應

電子轉移反應是土壤中無數過程和特性的核心，氧化還原電位是相對於標準氫電極）或PE（類似於pH AS -LOG Electron的EH（鉑電極電位（電壓））的氧化還原電位，是Master可變的pH值控制並受化學反應和生物過程的控制。早期的理論研究與土壤氾濫和水稻產量的應用有關，隨後在土壤中氧化還原和植物根生長的熱力學方面進行了開創性。後來的工作建立在該基礎上，並將其擴展是為了理解與重金屬氧化狀態的變化，人寫和形態的變化，有機複合降解和形成，自由基化學，濕地描繪，土壤修復以及各種表徵氧化還原的方法學方法土壤狀態。

mnemonics

氧化還原所涉及的關鍵術語可能會令人困惑。例如，一種被氧化的試劑損失了電子。但是，該試劑稱為還原劑。同樣，一種減少的試劑獲得了電子，被稱為氧化劑。這些助記符通常被學生使用來幫助記住術語：

“油鑽機” - o xidation i s os of電子， r eduction i s g ain of電子
“獅子說ger [grr]” - lectrons o s o s o sidation， g ain e ectrons是r的
“ Leora說Geroa” - 電子的損失稱為氧化（還原劑）；電子的增益稱為還原（氧化劑）。
“紅貓”和“牛”或“ Anox Redcat”（“牛貓”） - 在陰極處發生還原，陽極用於氧化
“紅貓獲得了牛的失落” - 在陰極上減少了（電子）陽極氧化損失的（電子）
“恐慌” - 陽性陽極和陰性是陰極。這適用於釋放儲存的電力的電解細胞，可以用電用充電。恐慌不適用於可以用氧化還原材料充電的細胞。這些電式或伏型細胞（例如燃料電池）會從內部氧化還原反應中產生電力。在這裡，正電極是陰極，負是陽極。