第五章还原反应剖析
大学化学课件-第五章氧化还原反应
电极 惰性导体如 Pt、石墨棒
负极（氧化反应）： Zn - 2e
Zn2+
正极（还原反应）： Cu2+ + 2e Cu
电池反应(氧化还原反应)：
Zn + Cu2+
Zn2+ + Cu
锌与锌离子（铜与铜离子）构成的电极 又叫半电池。
电极反应即半反应：氧化态+ne 还原态- ne
常见还原剂：
H2
Zn
氧化数：
H:0 Zn:0
CO C:+2
H2S
Sn2+
S:-2 Sn:+2
H2O2 + Cl2 还原剂
2HCl + O2
H2O2 + 2Fe2+ + 2H+ 氧化剂
2Fe3+ + 2H2O
3. 氧化还原电对 4. Cu2+/Cu , Zn2+/Zn， H+/H2 通式为
：
5. 氧化型/个半反应
氧化反应 ： Fe2+ - e
Fe3+
还原反应 :Cr2O72-+6e+14H+
2Cr3++7H2O
4. 使两个半反应电子得失数相等后相加。
Fe2+ - e
Fe3+
Cr2O72- + 6e +14H+
×6 2Cr3+ +7H2O ×1
Cr2O72-+6Fe2+ +14H+ 2Cr3++6Fe3+ +57．H核2O对等式两边电荷数
《无机化学》第五章 氧化还原反应和电化学基础
二、氧化还原反应方程式的配平
1. 氧化值法
配平原则：氧化剂中元素氧化值降低的总数等 于还原剂中元素氧化值升高的总数。
配平步骤： （1）写出反应方程式，标出氧化值有变化 的元素，求元素氧化值的变化值。
（2）根据元素氧化值升高总数和降低总数相等 的原则，调整系数，使氧化值变化数相等。
（3）用观察法使方程式两边的各种原子总数相 等。
酸表。
（4）E是电极处于平衡状态时表现出来的特
征，与反应速率无关。
（5）E仅适用于水溶液。
5.饱和甘汞电极：
Hg | Hg2Cl2(s) |KCl (饱和)
Hg2Cl2 (s) + 2e
2Hg(l) +2Cl-
E (Hg2Cl2/Hg)=0.245V
三、 影响电极电势的因素
1.影响 因素
(1)电极的本性：即电对中氧化型或还 原型物质的本性。
还原型：在电极反应中同一元素低氧化值的物质。）
电对：氧化型/还原型
例：MnO2 +4H+ + 2e
Mn2+ +2H2O
电对：MnO2 / Mn2+
（2）E与电极反应中的化学计量系数无关。
例：Cl2 + 2e 1/2Cl2 + e
2Cl- E(Cl2/Cl-)=1.358V Cl-
（3）电极反应中有OH- 时查碱表，其余状况查
（3）分别配平两个半反应，使等号两边的原子 数和电荷数相等。
（4）根据得失电子数相等的原则，给两个半 反应乘以相应的系数，然后合并成配平的离子 方程式。
（5）将离子方程式写成分子方程式。
离子电子法配平时涉及氧原子数的增加和减 少的法则：
第五章 还原反应
其他：硫化铵、多硫化铵、硫化锰、硫化铁等。
23
3. 反应历程
ArNO2 + 3S2- + 4H2O → ArNH2 + 3S0 + 6OHS0 + S2- → S22自动催化
4S0 + 6OH- → S2O32- + S2- + 3H2O 总反应： 4ArNO2 + 6S2- + 7H2O → 4ArNH2 + 3S2O32- + 6OH用硫化钠还原经过亚硝基、羟胺化合物、芳胺的过程。
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S O 3H
NO2
S O 3H
S O 3H
低温磺化
硝化
+
NO2
NH2
稀释，脱硝，氧化镁中和 及铁屑还原
S O 3 M g 1 /2
S O 3 M g 1 /2
+
NH2
NH2
S O 3H
周位酸
酸化 p H 4 .7 5 ~ 4 .9 5
S O 3 M g 1 /2
酸化 pH 2~3
S O 3H
43
5.3.2 非均相催化氢化反应历程
工业加氢还原工艺主要有：
液相加氢法——在液相介质中进行的加氢还原，一般采用固体 的催化剂，反应物硝基化合物溶于溶剂中，还原剂为氢气，实 际上是气-液-固三相催化反应。 气相加氢法——以气态反应物进行的加氢还原，实际上为气-固 相催化反应，仅适于沸点较低，易气化的硝基化合物的还原。
6
5.2 化学还原
电解质溶液中的铁屑还原 含硫化合物的还原 锌粉还原 其它化学还原方法
7
5.2.1 电解质溶液中的铁屑还原
有机合成单元反应 单元反应008
５ 搅拌和装料系数 加氢是飞均相放热反应，需要良好的搅拌． 装料系数影响氢气的量，因此需要一个合理的装料系数，一般在０.３５～０.５之间。
五 催化加氢设备 １、石油工业加氢设备 加氢装置分为加氢精制和加氢裂化两种。
三、均相催化剂的特点。 均相催化剂的优点是催化活性高，不含由于杂质而丧失或降低其活性，可在常
温常压下进行催化反应，不引起双键的异构化。 四、适用范围
均相催化多用于碳碳双键、醛、酮的还原。
第五章 还原反应 第一节 概述 一 定义
广义：在还原剂存在时，被还原原子得到电子或电子云密度增大的反应． 狭义：分子中加氢；分子中去氧；分子中加氢去氧．
还原的结果：某原子上的其它原子被电负性更小的原子取代；某原子上的其它原 子被氢原子取代或某原子被氢原子饱和。 二 用途
（１）不饱和键加氢（２）饱和键加氢 氯代烷 醚等 （２）不饱和键和饱和键共同加氢 酰氯 酯等 三 分类 １催化氢化 氢化和氢解 均相氢化和非均相催化 ２化学还原 金属 氢化物 低价化合物等 ３电解还原 从电解槽阴极获得电子 ４生物还原 微生物发酵 酶还原
具有经济性：反应时，不需要添加任何还原剂和试剂，只需要加少量催化剂， 使用廉价的氢气，因而极为便宜。
后处理简单，污染少：多相催化加氢反应完后，只需要将催化剂滤去，蒸去 溶剂即可得到产品，没有化学还原繁琐的分离手续，污染少。
设备具有通用性：精细化工产品生产的加氢设备通常为间歇式压力反应釜，设 备通用性好。
2 设备： 流化床 固定床 ３ 反应特点：反应物高温汽化 反应热迅速转移
NO 2
NH2
+ Cu-SiO 2 H2
第五章--氧化还原反应和电位要点
3．离子−电子法配平的关键：(1) 每个半反应两 边的电荷数与电子数的代数和相等；(2)原子数 相等；(3)正确添加介质。
氧化值法不仅适用于在水溶液中进行 的反应，而且适用于在非水溶液和高 温下进行的反应；离子−电子法仅适用 于在水溶液中进行的反应。
第二节 原电池和电极电位
一、原电池 (一)、原电池的概念 图5−1原电池结构示意图
将两个电极组合起来就可构成一个原电池，原电池 的装置可用简易的化学式和符号来表示。如
MnO4− + 8H+ + 5Fe2+
Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O
其原电池的电池组成式为
(−)Pt∣Fe2+(c1) ， Fe3+(c2) Mn2+(c5) ∣Pt(+)；
Pt为辅助电极。
‖MnO4−
红蛋白释放出氧将葡萄糖氧化，并放出能量。
第一节 氧化还原反应
一、氧化值 为表示各元素在化合物中所处的化合状态，
无机化学中引进了氧化值的概念，氧化值又 称为氧化数。1970年纯粹和应用化学国际联 合会（International Union of Pure and Applied Chemistry , 缩写为IUPAC）。
电池电动势Eθ＞0（即φθ＋＞φθ−），则反应按给 定的方向正向进行；若Eθ＜0（即φθ＋＜φθ−），
反应按给定的方向逆向进行。
4. 选择适当的氧化剂、还原剂。 5. 判断溶液中离子的共存性。
第三节 能斯特方程式
一、能斯特方程式
在aOx +neb
Red ：
(Ox/Red)
θ (Ox/Red)
(二)、沉淀的生成对电极电位的影响
第五章 氧化还原反应和电化学
左边
右边
酸性 多O缺H时，多一个O加2个 加相应的H2O 介质 H+, 缺1个H加1个H+
碱性 多H缺O时，多一个H加1个 加相应的H2O 介质 OH– ，缺1个O加2个OH –
中性 多 n 个 O 加 n个 H2O 介质 加 n 个 H2O
加 2n 个 OH– 多 n个 O 加 2n 个H+
酸性介质中配平的半反应方程式不应出现OH–，在 碱性介质中配平的半反应不应出现H+
氧化值和化合价
• 氧化值是元素在化合状态时的形式电荷，按一定 规则得到，不仅可有正、负值，而且可为分数。 • 化合价是指元素在化合时原子的个数比，它只能 是整数。
1. 多数情况下二者数值相同，也可混用，但它们在 数值上也有不一致的情况 2. 在离子化合物中元素的氧化值等于其离子单原子 的电荷数 3. 在共价化合物中元素的氧化值和共价数常不一致
倍数。找出氧化剂、还原剂的系数。 4. 核对，可用H+, OH–, H2O配平。
例题 (1)
HClO3 + P4 HCl + H3PO4 氧化值升高的元素：
Cl5+ Cl–
氧化值降低 6
P4 4PO43– 氧化值升高20 10 HClO3 + 3P4 10HCl + 12H3PO4 方程式左边比右边少36个H原子，少18个O原子，应 在左边加18个H2O
配平 Cl2 (g) + NaOH → NaCl + NaClO3 解： 半反应
Cl2 (g) + 2e－ =2Cl－
(1)
Cl2 (g) + 12OH－ = 2ClO3－ + 6H2O + 10 e－ (2)
第五章 氧化还原反应
金属-金属难溶盐电极 电极反应 AgCl(s)+ eAg(s)+ Cl- (aq)
电极符号
Ag-AgCl (s)∣ Cl- (aq)
氧化还原电极或浓差电极
电极反应 Fe 3+ (aq)+ e电极符号 Fe 2+ (aq)
Pt∣Fe 3+ (aq, c1), Fe 2+ (aq, c2)
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原电池的表示法(The notation of galvanic cell)
(一) Pt︱H2(105Pa)∣H+ (lmol · -1)‖Cu2+ (lmol · -1)∣Cu(s)(+) L L 界面 界面 c1 盐桥 c2 界面
原电池的电动势 E池 ＝E正－E负 ＝E阴－E阳
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标准电极电势
Cl 2 (g ) 2e 2Cl (aq) , E θ = 1.36V
1 Cl 2 (g) e Cl (aq) , E θ = 1.36V 2 θ 一些电对的 Eo与介质的酸碱性有关, 因此有 E A 表和
θ E B表之分。
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Question 11 Solution
10
电极类型(The various types of electrodes )
金属-金属离子电极 电极反应 Zn2+ + 2e-
Zn
电极符号 Zn (s) ∣ Zn2+ (aq)
气体-离子电极 电极反应 2H+ (aq)+ 2e电极符号 Pt ∣ H2(g) ∣ H+ (aq)
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H2(g)
标准电极电势
指标准电极的电势。凡是符合标准态条件的电极都是标
大学无机化学第五章-氧化还原PPT优秀课件
还原剂 氧化剂
口诀：失－升－氧－还； 得－降－还－氧。
氧化半反应与还原半反应 氧化型和还原型: 氧化型＋ne ＝还原型 氧化还原电对: 氧化态/还原态（Ox/Red)。
如 Cu2+/Cu
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二、元素的氧化数 1.定义
定义：氧化数又称为氧化值，是某元素一
个原子的表观荷电数。 （ IUPAC）
假设将成键的电子指定给电负性较大的原子而求 得的荷电数。
Z n + 2 H C l
Z n C l2 + H 2
C H 4 ( g ) + 2 O 2 ( g )
C O 2 ( g ) + 2 H 2 O ( g )
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例2
1. 求Cr2O72-中 Cr的氧化数。 2. 求Na2S4O6中S的氧化数。
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二、氧化还原反应方程式的配平
总原则：质量守恒、电量守恒。
(4) 原子数和静电荷数配平 2KMnO4 + 16HCl = 2MnCl2 +5Cl2 + 2KCl + 8 H21O4
方法二 离子-电子法
• 配平原则：氧化剂和还原剂电子得失总数相等。
例： +6
-1
+3
0
K2Cr2O7 + KI + H2SO4→ Cr2(SO4)3+ I2 + K2SO4+H2O
(3) 1948年，在价键理论和电负性基础上提出氧化数。
电负性：原子在分子中吸引电子的能力。
(4) 1990年，IUPAC 定义了氧化数的概念。
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化合价与氧化数的区别与联系
1. 元素的化合价只能是整数，而元素的 氧化数可以是整数、分数。
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第五章还原反应5.1催化氢化从题目来看，似乎很简单，不就是催化加氢吗。
虽然听起来简单，但是它在精细有机合成中占有很重要的地位，许多合成，如药物、助剂等，都有加氢这一步。
这是一类很重要的单元反应，它有一定的规律，在工业上有实用价值的加氢操作几乎都采用催化剂，所以称催化氢化。
定义：催化氢化：在催化剂的存在下，有机物与氢反应，使一些C-O，C-X，C-S等键断裂，生成C-H键的过程。
催化氢化一般指催化加氢，也包括催化氢解（在氢的作用下发生碳键断裂的过程）。
5.1.1 氢化机理和分类有关氢化机理的学说有十几种，其中有两种是大家公认的。
㈠π-络合理论此理论将反应分成三步：（1）扩散、吸附氢从体相扩散到催化剂表面，发生吸附（2）氢化反应如烯烃扩散到吸附了氢的催化剂表面，也发生吸附，成为π-络合，然后与氢反应。
（3）扩散离去㈡分子离子化理论也分成三步：（1）氢分子的离子化，由于催化剂吸附的作用而产生。
在催化剂上吸附H2 2H++ 2e（2）有机物的离子化，氢吸附放出电子后，与有机物作用形成负碳离子。
在催化剂上C=C + 2e C-—C-（3）氢化H HC-—C-+ 2H+C—C㈢催化氢化分类5.1.2 催化剂加氢催化剂的种类繁多，大约有百余种，主要是一些过渡金属和贵金属。
㈠催化剂中金属所在族及电子结构并非什么金属都可以做催化剂，可作为催化剂的金属主要是ⅧA和ⅠB族。
为什么在这两个族的元素可以作为催化剂呢？我们来看一下它们的电子结构：从电子结构看（1）外层有d空轨道，从而可以产生络合（一个有电子，一个有空轨道）（2）d电子有8~9个最好（d轨道全满为10个），空得太多也不好，因为吸附太强，不能脱附。
从电子结构看，Co系是最好的，d轨道上有9个电子，Ni 系的d轨道上有10个电子，但由于s轨道是空的，d 轨道上的电子可以跃迁到s 轨道上去，这时d轨道上就剩下9个电子，因此，也是较好的催化剂。
铜系的s轨道上已有一个电子，因此其d轨道上的电子要跃迁到s 轨道上去就比Ni 系的元素要困难。
铁系的d轨道上有两个电子，因此，吸附性能很强。
㈡几类常用催化剂（1）骨架镍----Raney Ni, 海绵Ni其制备方法不是将金属镍发泡，而是将镍铝合金用6N的氢氧化钠浸泡，溶解掉铝而制得。
NaOHNi/Al Ni + Na2AlO2+ H2铝被溶解掉以后，留下许多微孔，就象是海绵一样，所以称海绵镍，由于这种方法是由Raney 这个人发明的又称Raney Ni。
它的活性主要来自它的多孔性，而且在制备时孔中吸附有大量的氢气，因此它在空气中会自燃，要保存在乙醇或水中。
工业上的Raney Ni有W-1~W-7 ，7个型号，数字越大，活性越高。
用于中性或弱碱性条件，在pH ＜3时活性消失。
在很多情况下，镍的盐类也可以起到催化剂的作用。
（2）铂黑它是一种条件温和、安全的催化剂，用于低压低温加氢。
制备方法：把铂溶解在王水中，成为H 2PtCl 6（氯铂酸），然后用甲醛进行还原得到铂黑（金属铂）。
也可用PtO 2作催化剂。
OCH 2COOEt PtO 2,H 2EtOH,25℃CH 2COOEtHOHH（3）Pd/载体所用的载体可以是硅藻土、硅胶、三氧化铝、活性炭等。
制备方法：将PdCl 2（棕红色晶体）溶于水后吸附在载体上，得到PdCl 2/载体，经过还原得到Pd/载体催化剂。
HCHOPdCl 2/载体 Pd/载体 或氢气还原 用于低压、低温加氢。
例 怀暖炉，以酒精或汽油为原料，它们并不是发生燃烧，而是发生反应。
Pd/载体酒精 放出热量 慢慢氧化 （4）CuCr 2O 4(亚铬酸铜)在无机上并存在这种化合物，只是一种含有这些成分的混合物。
制备方法：氨水处理 300℃热解 Cu(NH 4)Cr 2O 7 Cu(NH 4)OHCrO 4 CuCr 2O 4 两种氧化物的混合物 CuO + Cr 2O 3它的优点是能耐高温，用于高温高压加氢。
以上四种都是非均相的催化剂，下面的是均相催化剂 （5）均相铑催化剂（书p219）这是一种较新的催化剂，一种可溶于水也可溶于油的盐类（络合物）。
这是一种非常好的催化剂，用于低压下进行芳环及杂环的加氢。
现在改为载体铑。
在碱性条件下不利环加氢。
（6）钌（Ru ）常用RuO 2，或金属钌/载体适用于官能团或环加氢，但有时其选择性不好。
特点是：a.对芳环或对羰基加氢时，对其它官能团作用不强，不发生氢解；b.抗中毒性能好，可用于硫化物加氢。
S SNH 2SO 2NH 2SO 2NH 2NH 2NH 22NH 2H 275℃，0.3MPaSH㈢ 催化剂评价（1）催化剂活性是指加速化学反应的能力。
通常以单位重量催化剂，在单位时间内所能转化原料为产物的量，也称为催化剂的负荷，或空间速度，单位为L·L-1·h-1,或kg·kg-1·h-1。
原料·催化剂-1·时间-1。
催化剂的负荷越大，其活性越高。
（2）催化剂选择性在反应体系中存在几种反应，所选催化剂应该对主反应有催化作用，而对其它副反应没作用。
生成主产物的量S =被转化掉的原料量（3）催化剂寿命指催化剂的稳定性。
催化剂在毒物、热或机械的作用下，不同的催化剂有不同的稳定性。
催化剂在使用一定时间后，它的活性就会失去，此时称催化剂失活。
催化剂从开始使用到失活的时间称为催化剂的寿命。
很显然，催化剂的寿命越长越好。
对毒物的稳定性，主要是有些化学物质会与催化剂发生反应，生成的产物没有催化活性，使催化剂失活。
如Pd变成PdS后失活。
热的稳定性表现在受热后，催化剂的金属晶粒会聚集，从而使催化剂的比表面大大减少，而活性降低。
机械稳定性表现在催化剂从颗粒变成粉末。
以上这几种失活是永久性的，不能再生。
有时催化剂的表面被反应物覆盖，而失去活性，此时只要将覆盖在催化剂上面的反应物除去，就可以使催化剂的活性恢复。
这个过程称催化剂的再生。
㈣催化剂的制备催化剂的制备方法很多，主要有如下几种：（1）热分解法用热稳定性较低的金属盐或它们的混合物，在300~400℃下加热煅烧，形成分散均匀的氧化物或混合氧化物。
它们可以直接作催化剂或用氢气在加热下进行还原成金属后作催化剂 （2）沉淀法先用沉淀法制得氢氧化物、碳酸盐等，再进行过滤、成型、加热、煅烧（300~800℃）成为氧化物，再还原成为金属。
可以在此过程中加入载体，制成载体型催化剂。
如 Al 2O 3 + NaOHAl(OH)3 γ-Al 2O 3 （3）骨架法主要是骨架镍的制备。
（4）还原法主要用于铂族金属粉末催化剂的制备。
如Pt 黑、Pd 黑等， 可用这些金属的盐，用氢气或其它还原剂进行还原，如甲醛、肼等。
用这种方法制得催化剂可吸附大量的氢，在空气中会自燃，所以要保存好（如保存在有N 2、CO 2等的容器中）。
5.1.3 某些有机物的加氢规律 （1）烯键上的位阻越大则越难加氢＞＞易 难 （2）苯同系物加氢顺序＞＞CH 3CH 3CH 3易 难由于存在空间位阻，使氢难以与苯环接触。
与取代反应不同，对取代反应，当有甲基取代时，苯环被活化。
（3）苯环上有取代基时，取代基的影响如下：＞＞＞OHNH 2COOH易 难 （4）顺式化合物比反式化合物易加氢＞CCHCOOHHCOOHCOOH H COOHHCC一般认为是由于位阻的原因，顺式的一边是空的，而反式的两边都有基团。
（5）各种官能团单独存在时，其反应性如下芳香族硝基＞叁键＞双键＞羰基，脂肪族硝基＞芳香核 5.1.4氢化反应装置 ㈠ 液相加氢 ① 泥浆床催化剂成浆状悬浮在反应器中。
其形式有： （1）有搅拌的反应釜 （2）鼓泡塔其优点：简单，有利于小生产 缺点：不易密封 ② 固定床其形式有： （1）鼓泡型（2）淋液型优点：操作方便，生产能力大 缺点：装卸催化剂难 ③ 流化床催化剂悬浮于反应器中，可分内循环和外循环型。
优点：催化剂不易结焦，传质效率高 缺点：催化剂易破碎而损耗 ㈡ 气相加氢主要有两种形式，固定床和流化床。
操作形式与以上相同。
5.1.5精细化工应用实例 例1 油脂加氢（或叫氢化）CH 2-OCO-(CH 2)7CH=CH(CH 2)7CH 3 碱式碳酸镍-铜混合物 CH 2-OCO-(CH 2)16CH 3 CH 1-OCO-(CH 2)7CH=CH(CH 2)7CH 3 CH 2-OCO-(CH 2)16CH 3 CH 2-OCO-(CH 2)7CH=CH-CH 2-CH=CH-(CH 2)4CH 3 0.2MPa,200℃ CH 2-OCO-(CH 2)16CH 3在浪奇有这一套装置。
主要是进行差豆油和已酸败的花生油、米糠油的加氢。
将一些不能吃的油作为工业用途。
这些油直接皂化做肥皂是软的，要进行加氢硬化后，才能使保存时间、及使用时间长。
这是一种碳碳双键的加氢。
例2 香茅醇的制备（双键或羰基） 法一：香叶醇（橙花油的主要成分） 香茅醇，用于配制玫瑰香型的香精法二：香茅醛 香茅醇 柠檬醛Raney Ni CH 2 OH CH 2 OHCH 2 OH Raney NiCHO CHO在香茅草中可提取香茅醛和香茅醇山毛榉草油，柠檬、桉树叶提取的油类这里的加氢主要对一些共轭双键进行，如π-π共轭，σ-π共轭。
为什么雷内镍对孤立双键不起作用，其机理还不清楚。
例3 山梨醇的制备山梨醇可作保湿剂，用在化妆品中，使之不硬化，低级保湿剂是甘油；山梨醇还可作为制造Vit C 的原料。
葡萄糖 山梨醇例4 椰子油氢解（十二~十四个碳的脂肪酸甘油酯） 月桂酸甘油酯，椰子油主要成分） 月桂醇这是月桂醇（淡黄色油状液体或固体）的主要制备方法。
月桂醇在精细化工中用量很大，主要用于制备表面活性剂，如：商品名K12，作为高级发泡剂，比烷基苯磺酸钠好例5 2，4-二氨基甲苯的制备CH 2 OH CHO (CHOH) 4 2 OHCH 2 OH(CHOH) 4Raney Ni0.1%wt 3.5MPa,H 2pH8.2~8.4生生生Vit. CCH 2OCO(CH 2)10CH 3CH OCO(CH 2)10CH 32OCO(CH 2)10CH 3CuCr 2O 4300,8MPa生 3 CH 3(CH 2)10CH 2 OH + CH 2 OHCH OH2 OHCH 3(CH 2)10CH 2 3(CH 2)10CH 2 OSO 3Na NaOH2，4-二氨基甲苯是一种无色晶体（针形或棱形），MP.90℃，bp280℃,溶于水、乙醇和乙醚，水溶液在空气中变成褐色。
2，4-二氨基甲苯盐酸盐也是一种晶体，MP195℃，易溶于水。
用作有机合成中间体，毛皮染料（毛皮棕T ），也可用于生产聚氨酯泡沫塑料。
5.2 还原反应5.2.1涵义在有机化合物中引进氢或失去氧的反应称为还原反应。