日常生活中氧化还原反应的应用及反应方程式.doc

日常生活中氧化还原反应的应用及反应方程式氧化还原反应是化学反应中最重要的一类，其反应过程中，分子或原子(离子)间电子的转移更显而易见。某一原子(或离子)氧化状态的改变，必有另一原子(或离子)氧化状态相对应的改变;换句话说，某一物质被氧化，就必然有另一物质被还原，这两者之间是相辅相成的。若纯从能量的观点来看，在任何自发的氧化还原反应中，阳电性元素趋向失去电子(氧化)，也就是氧化数趋向正值，而阴电性元素则趋向获得电子(还原)，氧化数趋向负值。在我们周围的环境里，氧化还原反应确实占了极大的分量，可以说是推动整个生物圈的原动力，任何生命的持续过程都少不了它。所谓的生物圈是指地球上所有生命的部分，其中包含着各种不同的化合物，主要是由碳、氧、氮、氢四种元素所组成。这些化合物在自然界中不断的生成、消耗及互相转变，永远保持着一种连绵不绝的循环状态，使得生物圈本身就像是一个巨大的循环系统，由能量的同化与异化作用，和涉及上述四种元素的种种氧化还原反应，构成了整个的生命现象。此外，在我们日常生活的许多小事里，也都可以看到这类最基本的化学反应。一、自然界中碳的循环自然界物质的循环现象里，碳元素的循环范围最广。关于其循环的情形，我们可以自图一中了解一些梗概。图一中，每一标明CO2出O2入或CO2入O2出的步骤，都有氧化还原的反应。在前者，氧是以零价的氧化状态作为氧化剂，去氧化一些含碳的化合物;在后者，氧又从二氧化碳中的负2价氧化态，被氧化成零价状态，同时产生还原态的含磷化合物。两者的配合，构成了整个生物圈中的大循环。在碳的循环过程里，大气中或溶解在水里的二氧化碳，经由光合作用转变为植物或浮游生物体内的还原态含碳化合物，并释放出氧气。陆地或海洋中的动物摄取这些含碳化合物作为食物;而在生物呼吸或生物遗体的分解中，则又消耗氧而产生二氧化碳，并释出能量。至于在深海之中，二氧化碳溶于水内产生了碳酸根离子CO32-，与钙离子Ca2+结合，以碳酸钙沈淀的方式积存于海底。此外，一些生物遗体也可在缺氧的状态下逐渐沈积下来，最后转变成煤或石油的沈积层，而经人类开采并在空气中燃烧利用后，又再生二氧化碳。在碳的循环中，光合作用与呼吸作用是两类最重要的氧化还原反应，正好说明了氧化还原的过程和我们的生存有多么密切的关系。在光合作用中，陆地或海洋的植物吸收了日光能，将二氧化碳与水转化为细胞生活所需的碳水化合物和氧呼吸作用所需氧气的主要来源。光合作用可以下列通式表之光+6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2所谓的呼吸作用，就是在动植物体内消耗氧及碳水化合物以产生能量及二氧化碳和水的反应，以式表之为C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量在人体中的呼吸作用还包括肺叶中氧与二氧化碳的交换。而细胞中食物养分(葡萄糖)氧化所产生的能量，即用来推动身体的各项机能。由此可见，光合作用与呼吸作用恰是相反的两项反应：阳光的能量可经由光合作用储存在葡萄糖中;必要时葡萄糖经由呼吸作用而氧化，又释出能量供生物运用。由于CO2中的碳为正4价，而葡萄糖中的碳为零价，可见具有正氧化态的元素，常可利用其零价的状态储存能量，当其再氧化成原来的正氧化态时，即可将能量释出。换句话说，还原态的物质多是富含能量的。二、自然界中氮的循环除了碳的循环之外，自然界中氮的循环也是生命现象里不可缺少的一环，因为氨基酸和蛋白质也是维持生命活动的要素。图二所示，即为空气中不活泼的氮分子与生物体内各种氨基酸之间的氧化还原过程。氮的循环过程里，大气中所含的氮可借着空中的闪电与氧化合，形成氧化氮，再逐步还原成氨;或是氮直接经由固氮生物的作用而产生氨，加入土壤中。氨可借着生物体中酶的催化作用，进入细胞蛋白质中，成为有机的含氮化合物。不过由于氨在自然界中毒性太强，氮也常以NO3-的形式贮存在土壤中，在进入生物体后再还原成氨和氨基。此外，许多细菌作用于氮转变过程的中间产物，还原产生氮气，释回大气层中(就是所谓的脱氮作用)，因而完成整个循环。在自然界中各种形式的含氮化合物，都必须还原成氨，才能被吸收入生物体组织。因此氨在氮的循环中占非常重要的地位，而固氮生物中的化学反应也就成为一项重要的研究课题。三、化石燃料的氧化家庭、工厂、商业和运输上所需用的能量，绝大部分来自煤或石油等化石燃料的氧化，这是我们日常生活中最常见的一类氧化还原反应。例如，汽油与氧之间的反应可表为2C8H18+25O2→16CO2+18H2O+能量其中，汽油是还原剂，氧为氧化剂。四、杀菌与漂白氯或臭氧常用来净化饮水，消灭水中所含的病原体;次氯酸溶液则可以作为医院病房或器具的一种有效杀菌剂。在这些例子中，其关键性的化学反应就是由这类强氧化剂对病原体致命部分的强烈氧化作用。这些含氧或氯的化学物因具有强烈氧化作用，也可以用作木浆、纸张或棉花的漂白剂。例如，Chlorox这种家庭用漂白剂，其主要的作用成分就是次氯酸。事实上，大部分漂白剂的作用是将有色的物质氧化，使其转变为无色的物质，或是变得容易分离。五、矿石中金属的提取我们日常生活中所用的各种金属，几乎都是以化合物的状态存在于自然界中，其中如硫化物、氧化物、碳酸盐和硫酸盐是常见的几种。在此类化合物中，金属元素都是正氧化态。因此，若要将金属分离出来，便要将带有正价的离子还原成零价状态，这就需要适当的还原剂来达成任务了。对于一些氧化活性稍弱的金属，像铁、铅或锡等，通常使用碳或一氧化碳来还原，例如SnO2+2C→Sn+2COPbO+CO→Pb+CO2但是有些金属会再与碳生成化合物，不适宜用碳，得改用氢或一些氧化活性更为活泼的金属，像镁或铝等来还原。例如镍、钡、钨、钼等金属矿的提炼，就可以利用这种方法：MoO3+3H2→Mo+3H2O3BaO+2Al→Al2O3+3Ba至于那些本身氧化活性特别活泼的金属，或是其还原电位特别低(负值大)的金属离子，像铝、镁、钠等，就只有用电解方法才能还原了。六、电化学反应在所有电化学的反应过程中，无论是用电来带动化学反应(如电镀或电解)，或是利用化学反应来产生电能(电池)，都以氧化还原反应为其核心。例如，铅蓄电池产生电力的反应式，可表之为Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O+电能在反应中，一方面Pb被氧化，另一方面PbO2被还原;两者最后均变为正2价的Pb2+离子，与硫酸根SO42-离子生成硫酸铅的沉淀。七、照相术现代生活中极为普遍的照相术，也同样牵涉到氧化还原反应。当光线被景象反射，经照相机的透镜聚焦到底片上的感光乳胶时，其中一些卤化银被活化。在底片显影的阶段中，这些活化了的卤化银颗粒或结晶，能与显影液中的还原剂作用，使得银离子还原成黑色的金属银粒子。当活化的卤化银还原成金属银之后，再用其它化学方法除去底片上那些未经活化而不起反应的卤化银(一般称为定影)。随后底片上即出现显著的对比，愈黑的地方表示感光愈强，较淡的部分表示感光较弱，由此便记录下原先的影像。八、炸药炸药的爆炸作用，其实也正是一种特别剧烈的氧化还原反应。炸药可能是一种强还原剂与强氧化剂的混合物，也可能是一种单一的化学物质，其分子同时具有强还原性与强氧化性两个不同部分。例如下列物质，都可作强烈的炸药：当炸药一旦引发，在强还原剂与强氧化剂之间迅速发生反应，瞬间释放出内藏的巨大能量，而产生了所谓的爆炸现象。