1:氧化還原作用的性質
1.氧化還原作用的性質
你們應該看過一些鐵釘被腐蝕生銹把!如果你把鐵釘放置一些較潮濕的地方,在幾天後你便會發現鐵釘表面會有一層紅棕色鐵銹,這反應是涉及氧的。
我們可以利用以下方法來定義物質是否進行氧化還原反應:
a)以氧的得失來定義
b)以電子的轉移定義
c)運用氧化數來鑑定
a)以氧的得失來定義
•何謂氧化作用和還原作用?
之前你們在學習金屬這一章中,我們也學習過可運用碳把某些金屬氧化物中的氧移去,例如:
2Fe2O3(s)+3C(s)→4Fe(s)+3CO2(g)
氧化作用(oxidation)是物質獲得氧的過程。因此碳與來自氧化鐵(III)的氧反應,生成二氧化碳,這過程是氧化作用。
而物質失去氧的過程為還原作用(reduction)。在這反應中,氧化鐵(III)失去氧,形成鐵的過程就是還原作用。
(試把滑鼠移至圖上)
由於氧化作用和還原作用總是同時發生。一種物質失去氧,另一物質必定獲得氧。因此這兩種作用可合稱為氧化還原反應(redox reaction)。
•甚麼是氧化劑和還原劑?
再運用氧化鐵(III)和碳的氧化還原反應為例:
(試把滑鼠移至圖上)
還原劑(reducing agent)是促成還原作用的物質。在上述反應中,氧化鐵(III)的還原作用由碳所引致的,所以碳是還原劑。
而促成氧化作用的物質稱為氧化劑(oxidizing agent)。在上述反應中,氧化鐵(III)是引致碳的氧化作用,所以碳是還原劑。
一種物質在反應中獲得氧,我們會稱它被氧化;而一種物質在反應中失去氧,我們便說它是被還原。
b)以電子的轉移定義
我們也可以電子的電子轉移來定義氧化還原反應。
今次看看氧化銅(II)與鎂的反應:
CuO(s)+Mg(s)→Cu(s)+MgO(s)
(試把滑鼠移至圖上)
這反應包含了氧化作用和還原作用。鎂獲得氧形成氧化鎂,是氧化作用。而氧化銅(II)失去氧生成銅,是還原作用。因此氧化銅(II)是氧化劑,而鎂是還原劑。
氧化銅(II)和氧化鎂都是離子化合物。在氧化鎂中,鎂以鎂離子(Mg2+)的形式存在,而氧化銅(II)中的銅則以銅(II)離子(Cu2+)的形式存在。在反應中,每一個鎂原子會失去兩粒電子,形成鎂離子(Mg2+);而每一個銅(II)離子則獲得三個電子,形成銅原子。電子由鎂原子轉移至鐵(III)離子。
下表總結上述的各點:
| 反應物 |
反應物稱為... | 反應物進行... | 反應物被... | 反應物... |
|---|---|---|---|---|
| Mg |
還原劑 |
氧化作用 |
氧化 |
失去電子 |
| CuO |
氧化劑 |
還原作用 |
還原 |
獲得電子 |
根據以上電子轉移的概念,可把氧化作用和還原作用作以下定義:
＊ 氧化作用是物質失去電子的過程。
＊ 還原作用是物質獲得電子的過程。
也可為氧化劑和還原劑作以下定義:
＊ 氧化劑是獲得電子的物質。
＊ 還原劑是失去電子的物質。
其實,所有電池反應皆屬氧化還原反應,因此我們先看看以下的簡單化學電池。
圖2: 在簡單化學電池內發生的氧化還原反應
在負極(陽極)中,由於鎂在電化序(electrochemical series)中位置比銅高,因此鎂較易失去電子和產生離子(即是鎂進行氧化作用)。
離子半反應式(half-eguation)為:Mg(s)→Mg2+(aq)+
2e- ,電子會經外電路流至銅電極。
在正極(陰極)的半電池中,硫酸銅(II)溶液中的銅(II)離子在銅表面獲得電子(即銅(II)離子進行還原作用)。
離子半反應式為: Cu2+(aq)+2e-→Cu(s)
因此,整體反應式為:Mg(s)+Cu2+(aq)→Mg2+(aq)+Cu(s)
| 注意: |
•甚麼是離子半反應式?
離子半反應式是由氧化還原反應的離子整體方程式分成兩部分:一部分是表示氧化作用,而另一部分是表示還原作用。
c)運用氧化數來鑑定
由於並非所有氧化還原反應都是涉及氧的得失和電子的轉移,有些只是涉及分子間電子的共用。
例如:P4(s)+10Cl2(g)→4PCl5(s)
這也是氧化還原反應,但它沒有涉及氧的得失,竟沒有涉及電子的轉移。因此化學家便引進氧化數(oxidation number)的概念。
元素的氧化數是根據一些規則為該元素訂立的「想像性電荷」。要訂立一種元素在某種化合物中的氧化數時,可以假設全部化合物皆是離子化合物。
以下是訂立氧化數的規則:
表1:訂立氧化數的規則表
★1.訂立化合物中元素的氧化數★
試計算下列各元素(底有橫線者)在化合物中的氧化數 :
a)NH4NO3 b)HSO4- c)SiO2 d)KMnO4
題解
a)NH4NO3
由於NH4NO3是由NH4+離子和NO3-離子所組成,
因此先計算N在NH4+離子中的氧化數,
設N在NH4+離子中的氧化數為N:
N+(+1)×4=+1
N=-3
所以N在NH4+離子中的氧化數為-3
設N在NO3-離子中的氧化數為z:
z+(-2)×3=-1
z=+5
所以N在NO3-離子中的氧化數為+5
b)HSO4-
設S在HSO4-離子中的氧化數為S:
(+1)+S+(-2)×4=-1
S=+6
所以S在HSO4-離子中的氧化數為+6
c)SiO2
設Si在SiO2中的氧化數為v:
v+(-2)×2=0
v=+4
所以Si在SiO2中的氧化數為+4
d)KMnO4
設Mn在KMnO4中的氧化數為m:
(+1)+m+(-2)×4=0
m=+7
所以Mn在KMnO4中的氧化數為+7
學了氧化數的基礎概念後,我們便開始以氧化數來鑑定氧化還原反應。
試從氧化數的概念來研究一氧化碳與水的反應:
(試把滑鼠移至圖上)
從上述反應可見,一氧化碳分子中的碳會進行氧化作用,而水分子中的氫則進行還原作用。因為一氧化碳分子的碳的氧化數由+2增至+4,而水分子中的氫的氧化數也由+1降至0。
含有被還原的原子的物質為氧化劑,所以水是氧化劑;而含有被氧化的原子的物質為還原劑,所以一氧化碳為還原劑。
因此我們便可得知如果反應涉及氧化數轉變,這反應便是氧化還原反應了。
所以根據以上氧化數的概念,可把氧化作用和還原作用作以下定義:
＊ 氧化作用是物質中某元素的氧化數增加的過程。
＊ 還原作用是物質中某元素的氧化數減少的過程。
