学习MCAT关于氧化和还原反应的关键概念，并练习问题和答案

(注:本指南是我们的一部分称MCAT普通化学系列)。

目录

第1部分：氧化和还原反应简介

第2部分:原子结构概述

第3部分:氧化和还原

一)定义

b） 指定氧化状态

c）氢化物

第4部分：氧化还原反应的应用

a)书写和平衡氧化还原反应

b） 电化学电池

c)电子传递链

第5部分：高收益条款

第6部分:基于文章的问题

第7部分:独立练习问题

第1部分：氧化和还原反应简介

氧化还原反应是我们日常生活中的基本过程。以燃烧为例，它通过氧气和碳氢化合物燃料产生火和热。氧化和还原反应也是从我们吃的食物中产生能量的关键。此外，这些过程是电池运行的关键，其中还原和氧化反应产生我们需要的动力来驾驶我们的汽车。

氧化还原反应是指电子交换导致某些原子氧化而另一些原子还原的化学反应。在这个问题上的成功需要详细了解氧化和还原，以及氧化态在给定反应过程中的变化。

在本指南中，我们将开始分解MCAT需要知道的氧化和还原反应的要点。在本指南中，您将看到几个重要的单词的定义大胆。在本指南的最后，还有一些aamc风格的练习题供您测试自己的知识。

让我们开始吧!

第2部分:原子结构概述

电子在原子中的空间分布是怎样的?电子云模型为我们提供了一个答案，并被证明是有用的可视化电子是如何失去(氧化)和获得(还原)的氧化还原反应。

的电子云模型该理论由Erwin Schrödinger在20世纪20年代提出，它描述了电子分布在原子核周围的特定概率区域内。电子云模型是现代科学家的首选模型，它不同于玻尔的原子模型，在玻尔的原子模型中，电子被想象成沿着离散的同心圆轨道围绕原子核运动，就像卫星围绕地球或摩天轮的客舱一样。

电子云模型强调电子分布的不透明性。电子云模型的理论是，电子不会在围绕中心原子核的静态轨道上运动，因此，电子总是在离原子中心特定的离散距离上运动。相反，我们只能猜测一个电子可能在哪里——这个猜测是数学计算出来的，并被描述为一个叫做电子云的概率区域。这些概率区域可以被形象化，并以某些形状加以说明，这就产生了亚壳层和电子轨道的原子理论。

有关原子及其行为的更多信息，请参阅我们的原子和核物理指南。

第3部分:氧化和还原

一)定义

你可能已经知道了氧化是指“失去电子”，而减少指的是“电子增益”。一个有用的助记符是:“LEO说GER”——意思是“失去电子是氧化，得到电子是还原。”记忆词“OIL RIG”也可以起到类似的效果:“氧化是损失，还原是收获。”这个词氧化还原包含这两个过程:它是“还原”和“氧化”两个词的合成词。

注意a和a之间的区别很重要氧化剂和一个化合物氧化了。形容词“氧化的”和“还原的”描述的是药剂或化合物在不同的化合物中引起的变化。他们所做的不意味着化合物本身正在分别被氧化或被还原。因此,一个氧化剂(或氧化剂)是一种在能够氧化不同化合物的同时减少的化合物。一种还原剂（或还原剂)是一种被氧化的化合物，因为它能够还原不同的化合物（通过提供电子）。

由于电子交换的性质，氧化反应和还原反应总是加上在一起。这意味着当一种元素被氧化(或失去电子)时，另一种元素必须被还原(接受电子)。

例外情况是不相称的反应，其中一种元素既可氧化又可还原。在这种情况下，来自同一元素的原子同时充当氧化剂和还原剂。

b） 指定氧化状态

一个原子的氧化状态是一个描述其氧化程度或电子损失量的数字。因此，氧化和还原的附加定义可以利用氧化态。当一个原子被氧化时，它的氧化态增加。当一个原子被还原时，它的氧化态降低。

在指定氧化状态时，有几个规则要遵循。（有几个例外，但在研究中你很少会遇到它们。）这似乎是一个很长的列表，但幸运的是，许多规则遵循着与元素周期表相关的易于学习的趋势。

上面列出的规则是确定单个原子氧化态的一个很好的起点。因此，当出现一个分子化合物时，最容易先将氧化态分配给任何氢原子(+1)或氧原子(-2或-1)。然后，继续为分子其余部分的原子指定氧化态。

在计算化合物中原子的氧化状态时，必须考虑化学计量系数。计算总离子电荷时，将每个原子的氧化状态乘以其相关的化学计量系数。此计算产生的总电荷应等于分子的净电荷。

在中性化合物中，其每个组成原子的氧化态加起来等于零，即化合物的总电荷。下面是一个将高锰酸钾氧化态赋值的例子。注意它是一种中性带电化合物。

c）氢化物

虽然氧化态规则的例外并不经常出现，但它们可能会出现由于电负性差异。例如，当与电给药金属（金属氢化物）结合时，氢气用作氢化物，因此具有-1的氧化状态而不是其常规+1。

氢化物是氢原子(H-)的带负电荷的离子。它们可以看作是带有一对自由电子的质子。因此，氢化物离子的获得总是导致还原，而氢化物离子的损失总是导致氧化。(在生物化学中，通常更容易认为还原是获得一个成键氢原子，而氧化是失去一个成键氢原子。)

有关此主题的更多信息，请参阅我们对碳水化合物新陈代谢的指导．

第4部分：氧化还原反应的应用

让我们仔细看看不同应用中的氧化还原反应。要记住几个重要的项目，即跟踪氧化状态的变化和平衡发生的任何反应。

a)书写和平衡氧化还原反应

回想一下，一种化合物的还原总是和另一种化合物的氧化联系在一起的。我们如何确定某一物质有多少被还原或氧化?

平衡氧化还原反应有几个步骤。涉及的涉及比平衡普通的化学反应更多的措施，但仍然适用的质量保护原则。

为了平衡氧化还原反应，首先将氧化数分配给反应中的每种原子。然后，重写涉及的反应物和产品两个半反应，其中一个是氧化反应，另一个是还原反应。

总而言之:

1. 发现氧化数

2. 通过确定氧化和还原组分，将反应分解为半反应

3. 通过系数和/或加入水和H+来平衡质量

4. 通过增加电子来平衡电荷

5. 通过使每个反应相乘平衡电子，使净电子等于零

6. 添加半反应

让我们来看一个例子。

这两个半反应都遵循了质量守恒定律:方程的两边都有一个铜和一个银。然而，收费还不平衡。

在氧化反应中，铜从0电荷变成2+电荷。这意味着必须在方程的右边加上两个电子才能使总净电荷为零。同样地，还原反应反应物一侧带1+电荷产物一侧带0。因此，一个电子必须加到反应物上。

既然两个半反应中都加入了电子，那么两个半反应中使用的电子数一定是相等的。参与氧化反应和还原反应的电子数量必须相等。

在这种情况下，还原半反应可以用整数系数来修饰。将反应的每个系数乘以2，得到:

因此，减少半反应中产生的每两个电子都通过在氧化半反应中产生的两个电子平衡。

最后，两个平衡的氧化和还原反应可以加在一起。

由于反应的两边都有两个电子，所以它们可以被消除。由此产生的反应代表了铜的氧化和银的还原之间的平衡的、全面的反应。

在实验中，氧化还原滴定用于测定分析物的浓度。与酸碱滴定相似，向分析物中加入还原或氧化溶液，直到达到终点。当端点或等当点时，已知的浓度和体积可用于测定原始分析物的浓度。

对于滴定法的复习，一定要参考我们的酸碱指南．

b） 电化学电池

回想起那个电电池（也称为伏打电池),电解细胞是两种主要类型的电化学电池。在电催化细胞中，发生自发的氧化还原反应以产生电能（ΔG<0）。在电解细胞中，外部电压源用于驱动非纤维氧化还原反应（ΔG> 0），该反应产生所需的化学产品。（有关此信息的更多信息，请务必提及我们的电化学指南。）

如果已知驱动电解反应所需的电子摩尔数，则可以将量转换为使用法拉第常数(96,485.3365库仑每摩尔)。

c)电子传递链

要快速复习这些内容，请务必参考我们对碳水化合物新陈代谢的指导．

第5部分：高收益条款

第6部分:基于文章的问题

可充电电池使用专门的化学电极来增强其电化学充电能力并提高电池寿命。在这些电池中，锂离子电池（LIB）得到了广泛的应用。

研究表明，使用有机化合物代替金属基电极材料可以提高电化学容量并最大限度地提高环境可持续性。为了研究这一点，一组研究人员试图表征从萘杂林（5,8-二羟基-1,4-萘醌）单体骨架衍生的合成二聚体化合物的行为。

新合成的萘唑啉二聚体在电池电极中测试时，显示了较长的循环寿命。与萘唑嗪单体或传统锂电极相比，这种性能的提高似乎没有牺牲初始的高容量和更高的能量密度。萘唑嗪单体的行为进行了表征，如图1所示。

问题1:根据图1，下列哪一对结构最能代表萘唑啉衍生物在还原条件和氧化条件下最可能占主导地位的形式?

一)

B)

C)

D)

5) +

B） +3

C) 3

D) 5

一)八

B)四

C)两个

D) 1

问题4：第4段所述的硫化合物的氧化状态是多少？

2)

B） -1

C) 0

D) 2

回答基于短文的问题

1. 答案选择C是正确的。在还原条件下，化合物可能处于最还原的状态。还原导致获得电子，化合物以锂提供的共价电子的形式获得了电子(选项a和D是错误的)。在氧化条件下，化合物可能处于最氧化的状态。氧化导致电子的丢失。请注意，这些结构也显示在图1a中。分子的二醌形式拥有最多的氧键，表明高氧化态。当反应向左进行时，化合物被依次还原——两个氧键和两个电子相继丢失(选项A、B和D是错误的)。

4.答案选择C是正确的。该段将硫指定为“单质硫”，意思是天然存在的、未结合的硫。所有元素化合物的氧化态为0(选项C是正确的)。硫在溶液中或作为较大化合物的组成原子时，会呈现其他氧化态(通常为-2)(选项a是错误的)。

第7部分:独立练习问题

问题1:钠与水接触时发生的爆炸反应描述为以下化学反应:

氢的氧化态是什么?

一)+ 1,+ 1

b）-1,0

C) + 1, 0

d）+2，+1

问题2：以下哪项不是氧化还原反应？

2)

B） -1

C) 0

D) + 1

问题4：平衡氧化还原方程的化学计量系数是多少？

A） 1,2,3,4

B) 1,2,2,1

c）1,3,2,3

d）1,2,3,2

问题5:甲烷燃烧过程中的氧化剂是什么(如下图)?

回答关键的独立问题

2.答案选择d是正确的。请注意，对于该等式中存在的任何元素，氧化状态没有变化。相反，这是一种双位移反应。（有关此信息的更多信息，请务必参考我们的分子和化学计量的指南。）在该反应中，Cu的氧化状态保持在+2;O的氧化状态保持在-2;H的氧化状态保持在+1;并且S的氧化状态保持在+6（选择A，B和C不正确）。

3.答案B是正确的。氢的氧化态总是+1(除非它与金属结合)。氧的氧化态是-2，除非氧以过氧化物的形式存在。因此，在这个分子中，氧的氧化态是-1，也就是过氧化氢(选项a, C, D都是错误的)。

4.答案选择C是正确的。这个问题可以通过简单的质量平衡来解决。为了确保满足质量的保护，确保在等式的右侧和左侧和左侧的每个元件的相同数量的原子中存在。

这个问题也可以通过解决铁和碳的氧化和还原的半反应来解决。