氧化还原反应

氧化和還原(第十五課頁164至頁200)

氧化還原反應其實包含兩個詞語，分別是「氧化」和「還原」。

化學中很多反應都是氧化還原反應。例如生物學中的呼吸作用和光合作用、金屬氧化物的還原作用、金屬的提取、燃燒、置換反應、生銹和電池的反應等等。

15.2 氧化和還原作用的定義(定義一) (頁166至頁169)

當鎂在空氣中燃燒時，與氧結合形成氧化鎂。

2Mg(s) + O2(g) −→ 2MgO(s)

因為鎂與氧結合，化學家稱這個過程為氧化作用。相反，若從物質中失去氧則稱為還原作用。例如當氧化銅(II) 與碳共熱時，氧化銅(II) 被還原為銅。

2CuO(s) + C(s) −→ 2Cu(s) + CO2(g)

氧化作用指一種物質得到氧的過程。

還原作用指一種物質失去氧的過程。

我們再探究氧化銅(II) 與碳的反應。碳得到氧，形成二氧化碳，這是氧化過程。同時，氧化銅(II) 失去氧，形成銅，這是還原過程。氧化作用和還原作用必須同時發生。因此，這種反應稱為氧化還原反應

氧化作用

2CuO(s) + C(s) −→ 2Cu(s) + CO2(g)

還原作用

在氧化銅(II) 與碳的反應中，碳從氧化銅(II) 中奪走氧，使氧化銅(II) 被還原，因此碳是還原劑。氧化銅(II) 給碳提供氧，使碳被氧化，因此氧化銅(II) 是氧化劑。

引致氧化作用的物質稱為氧化劑

引致還原作用的則稱為還原劑。

將氧化鐵(III) 放在鼓風爐中加熱便可以提取鐵，其反應方程式如下：

Fe2O3(s) + 3CO(g) −→ 2Fe(l) + 3CO2(g)

氧化鐵(III) 在反應中失去氧，所以它被還原。一氧化碳得到氧（變成二氧化碳），所以它被氧化。因此，這個反應是氧化還原反應，而一氧化碳是還原劑。

15.3 氧化和還原作用的定義(定義二) (頁170至頁173)

氧化作用是物質失去電子的過程。

還原作用是物質得到電子的過程。

例如：當鎂與氧發生反應時，鎂原子會失去電子，形成鎂離子（Mg 2+），氧原子則獲得這些電子，形成氧離子（O 2-

)。

失去電子

Mg + O

[Mg 2+] [O]2-

獲得電子

在這反應中，鎂被氧化了，因為它失去電子；而氧則被還原了，因為它得到電子。氧化和還原作用總是同時進行的。

另一個氧化還原反應是鈉和氯的反應：

2Na(s) + Cl 2(g) → 2NaCl(s)

鈉原子失去電子，所以是被氧化了。

Na(s) → Na +(s) + e - 失去電子：_____作用 氯是_______劑 (它令鈉氧化)

而氯原子則獲得電子，所以是被還原了。

Cl 2(g) + 2e - → 2Cl - (s) 獲得電子：_____作用 鈉是_______劇 (它使氯還原)

15.3.1 置換反應中的氧化還原反應 (頁172)

圖15.5頁172

總反應如下：

氧化作用（失去電子）

Zn(s) + Cu 2+(aq) Zn 2+(aq) + Cu(s)

在這個置換反應中，鋅是還原劑，銅 (II) 離子是氧化劑。

硫酸銅

15.3.2 簡單化學電池中的氧化還原反應(頁172至頁173)

V

+

在負電極

鋅失去電子，形成鋅離子，所以鋅被氧化了。氧化作用：失去電子

離子半反應式：Zn(s) →Zn2+(aq) + 2e-

在正電極

硫酸銅(II)溶液的銅(II)離子獲得電子，所以銅(II)離子被還原了。還原作用：獲得電子離子半反應式：Cu2+(aq) + 2e-→Cu(s)

將兩個半方程式結合，可以得到電池的總氧化還原反應方程式(電子被省略去)：氧化作用

Zn(s) + Cu2+(aq) →Zn(aq) + Cu(s)

還原作用

在這電池反應中，鋅是還原劑，銅(II)離子是氧化劑。

15.4 氧化數(頁174至頁177)

假如一個元素的原子能以離子的形式存在，它帶有的電荷數便是該元素的氧化數。

要計算氧化數的值，我們可以遵循下列的規則。

規則一元素的氧化數是零。

例如：Cu，H2，O2

規則二簡單離子的氧化數與離子的電荷數相同。

例如：Cu2+ +2

O2--2

規則三某些元素在化合物中的氧化數是固定的。例如：

氫在其大多數的化合物中+1

氧在其大多數的化合物中-2

所有第I 族金屬+1

所有第II 族金屬+2

規則四化合物中各元素的氧化數總和是零。

例如：H2O (+1) x 2 + (-2) = 0

規則五離子中各元素的氧化數總和相等於該離子所帶的電荷數目。

例如：OH-(-2) + (+1) = -1

15.4.1 計算元素的氧化數：計算下列化合物或離子中有劃線的元素的氧化數

技能訓練頁176及頁177

H2S ( ) MnO2( ) NO3-( ) H2CO3 ( )

MnO4- ( ) N2( ) KCl ( ) H2SO4( )

NO2 ( ) PO43-( ) NH4+ ( ) NaHSO4( )

Ca ( ) NH3( ) Mg3N2( ) (NH4)2SO4( )

不同氧化數的元素

有些元素在不同物質中具有不同的氧化數。例如錳在KMnO4、MnO2、MnCl2和Mn 的氧化數分別是+7、+4、+2 和0。(頁177表15.1 )

金屬離子的命名(頁177)

一些金屬形成多於一種氧化數的離子。我們在金屬的名稱後面加括號，內裏以羅馬數目字寫上離子的氧化態。例如FeCl3 的名稱是氯化鐵(III)，FeCl2 是氯化鐵(II)。

15.5 從氧化數的改變看氧化還原反應(定義三) (頁178至頁181)

在氧化作用中，元素的氧化數增加。

在還原作用中，元素的氧化數減少。

15.5.1 例子

1. 簡單電池反應(頁178)

下面的方程式表示簡單鋅銅電池的反應。

氧化作用

Zn(s) + Cu2+(aq) →Zn(aq) + Cu(s)

還原作用

1鋅的氧化數從0 增加至+2。

2銅的氧化數從+2 減少至0。

2. 置換反應(頁179)

以下為鎂與硫酸銅(II)溶液反應的完整方程式：

氧化作用

Mg(s) + CuSO4(aq) →MgSO4(aq) + Cu(s)

還原作用