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1、生活中的氧化还原反应 摘要：生活环境随处可见生命维续少不了它 。氧化还原反应是最重要的化学反 应。在任何这一类化学反应中，有某一物质被还原，即有另一物质被氧化。环顾 我们所生存的环境，大至整个地球中生命现象的维续，小至日常生活中的枝枝节 节，都可以看到这个最基本的化学反应的痕迹。正文： 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 们可以从CO出O入或CO入O出的步骤中了解到，都有氧化还原的反应。2 2 2 2 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
2、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CO 2-，与钙离子Ca2+3 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
3、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+6H2OfC6H12O6+6O22 2 6 12 6 2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+6O26CO2+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
4、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。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。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
5、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N03-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。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：2C8Hi8+25O2f 16CO2
6、+18H2O+能量其中，汽油是还原剂，氧为氧化剂。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。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
7、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+2CSn+2COPbO+COfPb+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+3H2Mo+3H2O 3BaO+2AlfAl2O3+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
8、、镁、钠等，就只有用电解方法才能还原了。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+2H2SO42PbSO4+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。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
9、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。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。
