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氧化是原子或离子失去电子的过程,还原是获得电子的过程。由于电子既不会凭空产生也不会凭空消失,只会从一方转移到另一方,所以氧化和还原必然同时发生:一种物质释放电子时,必定有另一种物质接收这些电子,这两者合起来就称为氧化还原反应。
氧化数是假设共价键中的电子被完全转移(而非共享)时,原子所带的假想电荷。按照惯例,单质状态的氧化数为0,离子的氧化数等于该离子所带的电荷。若反应前后某原子的氧化数升高,说明它被氧化;若氧化数降低,则说明它被还原。
铁遇到空气中的氧气和水分时,铁原子失去电子被氧化成铁离子,氧气获得电子被还原,生成氧化铁(铁锈)。这是铁的氧化数从0升高到正值的典型氧化还原反应,潮湿环境中生锈更快,正是因为水分有助于电子的转移。
电池(化学电池)利用两种不同金属(或物质)之间自发发生的氧化还原反应,让一个电极失去的电子经导线流向另一个电极,从而产生电流。电子沿导线移动就是电流,因此一旦氧化还原反应停止(反应物耗尽),电池也就没电了。
使其他物质被氧化、自身被还原的物质称为氧化剂;反之,使其他物质被还原、自身被氧化的物质称为还原剂。漂白剂和消毒剂中使用的物质大多是强氧化剂,通过氧化分解细菌或色素分子来发挥作用。
木材或燃料燃烧时,燃料中的碳和氢与氧结合,释放电子,氧气则接收电子,是典型的氧化还原反应。燃烧可以看作与铁生锈相同原理的反应,只是发生得剧烈得多,并在短时间内释放大量热和光。
为了更容易理解复杂的氧化还原反应,化学家将发生氧化的部分和发生还原的部分分开写成两个方程式,称为半反应式。将两个半反应式按电子数配平后相加,就能得到完整的氧化还原反应方程式,这在解释像电池这样两个反应发生在物理上分离的空间(电极)的情况时尤其有用。
铁生锈、木材燃烧、电池产生电流,这些现象本质上都是电子从一种物质转移到另一种物质的氧化还原反应。一旦理解了氧化数的概念,就会发现这些看似不同的现象其实都遵循同一个原理。
两者并非谁先谁后,而是同时发生。当一种物质失去电子的瞬间(氧化),这些电子必定被传递给另一种物质并被其获得(还原),因此氧化和还原总是成对同时出现。
不是。过去氧化仅指与氧结合的反应,但现在的定义是失去电子的所有反应都属于氧化。例如,即使完全没有氧气参与,金属失去电子变成离子的反应同样被归类为氧化。