生活中的氧化还原

一、 前言 
　　 
　　化学作为一门基础理论学科,与人们的生活息息相关,不论是衣、食、住、行、用,还是生活环境,都包含有极丰富的化学知识,生活离不开化学。环顾人们所生存的环境,大至整个地球中生命的维系,小至日常生活中的枝枝节节,都可以看到氧化还原反应的痕迹,它是一类重要的化学反应,在工农业生产、科学技术和日常生活中都有广泛的应用。 
　　 
　　二、 氧化还原反应用 
　　2.1自然界中的循环圈

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。

2.1.1自然界中碳的循环 

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。

2.1.2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。  
　　2.1 农业生产 
　　1)植物的光合作用。绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成有机物,储存能量,并且释放出氧气,反应原理:6H2O+6CO2=C6H12O6+6O2。光合作用是一个巨大的绿色工厂,制造有机物,转化并储存太阳能,使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定,对生物的进化具有重要的作用。地球上几乎所有生命活动的能源,都是绿色植物通过光合作用储存起来的。 
　　2)植物的呼吸作用。植物体内消耗氧和碳水化合物,产生二氧化碳和水,同时释放能量,用来推动身体的各项机能。反应原理:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量。 
　　3)晒田的目的。晒田的主要作用在于通过排水改善通透性,使耕作层中氧的含量增多,还原性有害物质如甲烷、硫化氢和亚铁等的含量因被氧化而减少,促进根系向下伸展,使植物粗壮。 
　　2.2 工业生产
　　2.2.1金属的冶炼。

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+2CO 
    PbO+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+3H2O 
    3BaO+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，2Al2O3=4Al+3O2↑（条件：电解）

2.2.2化工产品的制造。

在化学史上,有一位化学家给世人留下激烈的争论,他是德国化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)。随着人口增加对粮食的需求增大,为了生产氮肥,对空气中氮的固定是摆在化学家面前的一个重大课题。哈伯勇于追求与探索,成功地设计出一套适于高压实验的装置和合成氨的工艺流程,这是人工固氮技术的重大成就,是化工生产实现高温、高压、催化反应的第一个里程碑。合成氨的原料来自空气、煤和水,是最经济的人工固氮法。哈伯被人赞扬说:“他是天使,为人类带来丰收和喜悦,是用空气制造面包的圣人。”1918年,瑞典皇家科学院因哈伯合成氨发明的杰出贡献,授予他诺贝尔化学奖。 

工业合成氨原理:N2+3H2=2NH3（条件：高温高压，催化剂）。该反应属于氧化还原反应。工业制硝酸、氯气等均是。 

2.2.3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。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。
　　2.3 电化学 

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。

格林太太是位漂亮、开朗、乐观的妇女,当她开怀大笑的时候,人们可以发现她一口整齐、洁白的牙齿中享有两颗假牙,其中一颗是黄金的——这是她富有的标志,另一颗是不锈钢的——这是一次车祸留下的痕迹。令人百思不解的是,自从车祸以后,格林太太经常头痛、夜间失眠、心情烦躁,医生绞尽脑汁,格林太太的病情仍未好转……一位年轻的化学家来看望格林太太,并提出治疗方法——换掉其中的一颗假牙。这是为什么?由于金和铁是活性不同的两种金属,唾液中含有电解质,故构成原电池,产生微小的电流,使得格林太太头疼,因此必须换掉其中的一颗假牙。

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。

2.4 日常生活

家庭、工厂等所需用的能量,绝大部分来自煤或石油等化石燃料的氧化,如汽油燃烧:2C8H18+25O2→16CO2+18H2O+能量。 

人和动物的呼吸,把葡萄糖氧化为二氧化碳和水,通过呼吸把储藏在食物的分子内的能,转变为存在于三磷酸腺苷的高能磷酸键的化学能,这种化学能再供给人和动物进行机械运动,维持体温、合成代谢、细胞的主动运输,成为所需要的能量。

剖开苹果,剖面会有褐色的斑斑点点,是因为苹果中含有Fe2+和酚类物质,氧气和酚氧化酶将两者氧化,颜色加深。若削皮后浸在冷水里,使其与空气中的氧隔绝,这样酚就不易被氧化为醌。或放在沸水中烫几分钟,使酚氧化酶失去活性,不易将酚催化为醌。

常食用富含维生素C的水果、蔬菜会年轻又健康,维生素C是氧自由基的克星,是卓越的抗氧化剂,能抑制细胞基本成分的氧化,可以帮助减少自由基对皮肤的伤害,加速自由基消除,减缓皮肤衰老。维生素C还能使难以吸收的Fe3+还原为 Fe2+,促进Fe2+的吸收,使得皮肤红润,健康。

饮用水的杀菌消毒，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。 

交警常用一种“酒精检测仪”检查司机是否酒后驾车。酒精(C2H5OH)能与K2Cr2O7和H2SO4的混合溶液在一定条件下发生如下反应：2K2Cr2O7＋3C2H5OH＋8H2SO4===2K2SO4＋2Cr2(SO4)3＋3CH3COOH＋11H2O

且知Cr2O72-和Cr3＋在溶液中分别显橙色和绿色，反应前后有物质颜色的变化，可以用来检验司机是否是酒后驾车。

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。

　　 
    三、 氧化还原的危害 

据报道,广州一家庭主妇在家中打扫卫生时突然晕倒,家人发现后将她送到医院抢救,半小时后这名主妇停止了呼吸。医生化验其血液和胃液,确认是氯气中毒。分析原因,竟是这名主妇为了获得更强的去污能力,把家用洗涤剂、浴液和厕净精等3类共5种洗涤用品混合使用,导致悲剧的发生。由于厕净精是用盐酸兑成的,氯离子的含量较高,而漂白粉中含有次氯酸,所以当厕净精与漂白粉合用或漂白粉与含氯类清洁剂合用时就会发生化学反应,产生有毒的氯气,轻度中毒者会感到眼、鼻、喉不舒服,重者还会伤及心肺,当有毒气体在空气中弥漫到一定浓度时甚至会置人于死地。

根据《中国腐蚀调查报告》一书提供的数据,我国年腐蚀损失约占国民经济总产值(GDP)的6%,据此,如果按2006年GDP的6%计算,年腐蚀损失可达上万亿元!这是一个令人吃惊的数字!腐蚀可造成事故、危机人身安全,因腐蚀而发生的爆炸和人员伤亡的事件时有发生。以下是摘录的媒体报道,由此可见一斑:“吉林省松原市某自来水厂发生氯气泄漏事故,厂区附近2万余群众被紧急疏散,全县8 000户居民停水达10小时,有两人在此事故中中毒。发现是氯气罐上减压阀的螺丝由于长时间被氯气腐蚀,产生泄漏点,导致了氯气的泄漏。”

总之,生活中无处不存在化学反应,特别是氧化还原反应,所以说世界是化学的世界,化学使这个世界更精彩,要用化学知识使生活更加环保,更加健康!