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课程: 化学 > 单元 2

课程 4: 化学反应的类型

氧化数

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如何找到氧化数, 并简要介绍氧化还原 (redox) 反应。

什么是氧化数？

化学家用氧化数（或者氧化态）来标记一个原子有多少个电子。氧化数并不总是与分子的实际电荷数相对应，我们可以通过共价键（以及离子键）来计算出原子的氧化数。

让我们通过一些例子来理解氧化数的含义！

用于确定氧化数的方法

通常氧化数首先是用符号（

+

或者

-

）开始书写，然后是数量，其与离子上电荷相反。化学家用下面的方法步骤来确定氧化数：

步骤

1.

处在游离态的原子的氧化数为

0

。

步骤

2

原子在单原子（即单个原子）离子中的氧化数等于其所带电荷数。

步骤

3.

在化合物中：氟被分配为

- 1

的氧化数；氧通常氧化数为

- 2

(除了在过氧化合物中，它的氧化数为

- 1

, 以及在与氟结合的二元化合物中它的氧化数为正值)；而氢氧化数通常设为

+ 1

，除非它以氢化物离子的形式存在，

H^{-}

，在这种情况下采用步骤

2

。

步骤

4.

在化合物中，所有其他的原子都被定义了一个氧化数，因此物质中所有原子的氧化数总和应等于该物质上的净电荷数。

确定 $H_{2}$ ‍ 和 $H_{2} O$ ‍ 的氧化态

使用方法步骤时，我们通常从步骤

1

开始，并按着顺序往下移动直到完成。通过遵循这一顺序，我们可以最先确定比较容易的原子的氧化态，然后用消除法确定更难解的例子。

例题：在 $H_{2}$ ‍ 和 $H_{2} O$ ‍ 中，氢原子的氧化态是什么?

H_{2}

：我们在这里可以使用规则

1

。因为

H_{2}

处于游离态，它的氧化数为

0

。

H_{2} O

：规则

1

和

2

不适用于该情况，因此我们可以跳过他们。规则

3

告诉我们氢通常的原子数

+ 1

，除了氢化物中。我们这里没有氢化物，但即使我们不确定这个氢原子到底是

+ 1

还是

- 1

的氧化态，我们仍可以用规则

4

来检查。

规则

4

告诉我们在一个化合物中所有的氧化数相加总和而得到化合物的电荷数，而规则

3

说的是氧的氧化数通常为

- 2

。水是一种中性的化合物，因此我们需要所有的氧化数加起来为

0

。因为考虑氢有可能是氢化物，因此如果让氢的氧化数为

- 1

，则得到的氧化数总和为：

(O的氧化数 \times O原子数量) + (H的氧化数 \times H原子数量) = (- 2 \times 1) + (- 1 \times 2) = - 4

看起来不对！相反如果我们用

+ 1

作为氢的氧化数，得到总和为：

(- 2 \times 1) + (+ 1 \times 2) = 0

，这正是我们所期待的中性分子。如此，使用规则

3

和

4

，可以令氢在

H_{2} O

中的氧化态为

+ 1

。

概念检查：在硫酸盐离子中 ${SO}_{4}^{2 -}$ ‍，硫的氧化态是多少?

快速浏览一下指导原则就会得知，没有列出硫的氧化态。这意味着我们需要用规则

3

和

4

来计算硫的氧化态。

规则

3

告诉我们氧的氧化态为

- 2

。我们可以用规则

4

来计算硫的氧化态：

\begin{aligned} {硫酸根离子的净电荷 SO}_{4}^{2 -} & = (O的氧化数 \times 4) + S的氧化数 \\ - 2 & = (- 2 \times 4) + S的氧化数 \\ - 2 & = - 8 + S的氧化数 \end{aligned}

通过求解硫的氧化数，我们得到以下答案：

S 的氧化数在 {SO}_{4}^{2 -} = + 6

氧化数的用途：氧化和还原

现在我们可以按着规则查找氧化数。这很酷，但为什么氧化态如此重要呢？毕竟，它们其实是设想出来的！

化学家通常对电子的去向感兴趣，因为我们想知道电子是何时从一个原子迁移到另一个原子上的。在上面的例子中，我们可以看到氢在

H_{2}

中的氧化态与在

H_{2} O

的不一样。如果比较氧化态，化学家可能会说水分子里的氢比元素氢有着 更少的电子。

以下是用氢气和氧气制备水的反应：

2 H_{2} (g) + O_{2} (g) \to 2 H_{2} O (l)

我们会看到该反应不仅打破了原有的化学键，产生了新的化学键，同时也导致了

H_{2}

中电子的流失。化学家有着特定的术语来描述涉及电子丢失或获得的过程：

氧化表示原子内失去一个或多个电子。当一个元素的氧化数增加，意味着有电子失去，而该元素正被氧化。在上述反应中，

H_{2}

被氧化因为它失去了电子形成了

H_{2} O

。氧化数由

0

变为

+ 1

，电子的失去显而易见：因为氢原子失去一个电子（电子带有一个负电荷），则氢原子的氧化数增加。

还原是原子内一个或多个电子的获得。当元素氧化数减少，这意味着电子的获得，以及元素正在被还原。在制备水的反应中，

O_{2}

因为氧原子获得了

2

个带负电荷的电子，从而使它的氧化数从

0

减少到

- 2

而被还原。

一些记住氧化和还原的方法包括：

1.

OIL RIG: "Oxidation Is Loss"（氧化是失去）以及 "Reduction Is Gain"（还原是获得）

2.

狮子LEO 说 GER: "Loss of Electron is Oxidation"（失去电子是氧化）以及 "Gain of Electrons is Reduction"（获得电子是还原）

术语氧化剂和还原剂与氧化还原反应紧密相连。

一个 还原剂，失去电子因此在化学反应中被氧化。在我们的例子中，

H_{2}

在反应中扮演还原剂的角色，因为它被氧化并带来

O_{2}

的还原反应。

一个 氧化剂，获得电子并在化学反应中被还原。

O_{2}

在我们的反应中扮演了氧化剂的角色，因为它使得还原剂

H_{2}

被氧化。

更多例子，请参见关于氧化还原的视频, 以及关于氧化剂和还原剂的视频。

氧化数和氧化还原反应

涉及到电子转移的化学反应被称为氧化-还原或者氧化还原反应。氧化态的改变是电子转移发生的标志。所有的氧化还原反应都包含的还原过程和氧化过程。

许多反应类型，例如燃烧，单置换，以及一些合成和分解反应都可以归类到氧化还原反应的范畴。氧化数和氧化还原反应在高等化学课程中也是重要的概念，例如生物化学，电化学，有机化学和无机化学等等。我们不打算在本文中详细介绍氧化还原反应，但请记住，对氧化数的熟悉之后必定会派上用场的！

总结

化学家使用氧化数来追踪化合物内电子的去向。我们可以用规则指南给化合物内的原子定义氧化数。涉及到电子转移的反应被称为氧化还原反应，并且他们都包含了一次还原（电子的获得）和一次氧化（电子的失去）。被还原的物质被称为氧化剂，被氧化的物质被称为还原剂。

引用

这篇文章由以下文章改编而成：

"Oxidation-Reduction Reactions" 来自 Beginning Chemistry, CC-BY-NC-SA 3.0
"Oxidation-Reduction Reactions" 发表于加州大学戴维斯分校 ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0

修改后的文章根据 CC-BY-NC-SA 4.0 许可证授权

其他参考文献：

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Oxidation-Reduction Reactions. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 125-131). Stamford, CT: Cengage Learning.

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