3:金屬與非金屬的氧化還原能力與反應

2:金屬與非金屬的氧化還原能力與反應

a)金屬與非金屬的氧化還原能力
我們首先看看這關於金屬的氧化還原能力的電化序:

表2: 金屬的氧化還原能力

注意:
在表2中,氫並不是金屬,它只是用來排列金屬的電化序時,以氫離子作為比較的標準。

位於該電化序上方的金屬較易形成離子,其原子也較易失去電子,因此是強還原劑。而位於電化序下方的金屬較難形成離子,其原子也較難失去電子,所以是弱還原劑。因此金屬的還原能力是隨着電化序由上而下漸弱。

同一道理,位於該電化序上方的金屬較易形成離子,因此這些金屬較難接受電子,因此它們是弱氧化劑。而位於電化序下方的金屬較難形成離子,其原子也較易接受電子,所以是強氧化劑。因此金屬的氧化能力是隨着電化序由上而下漸強。

我們也可根據金屬的電化序中,來預測金屬間置換反應的結果。

在電化序中位置較高的金屬會把位置較低的金屬從其化合物的溶液中置換起來。
例如:鋅會把銀從硝酸銀溶液中置換起來。這是因為鋅的還原能力較強,鋅會把銀離子還原為銀金屬,而銀離子也把鋅氧化為鋅(II)離子(可看圖3作參考)。

圖3:在電化序中,鋅的位置在銀之上,所以還原能力較強。

附加資料:
其實我們亦可根據電化序來預測哪些金屬與稀氫氯酸反應。在電化序中位置在氫之上者,也會與稀氫氯酸反應釋出氫氣。這些金屬還原能力較氫高,它們能把酸中的氫離子還原生成氫,而氫離子也把金屬氧化為金屬離子。
例如:Na(s)+2H⁺(aq)→Na⁺(aq)+H2(g)

再看看非金屬的氧化還原能力的電化序:

表3 : 非金屬的氧化還原能力

金屬反應時多會失去電子,所以它們通常是還原劑。由圖6可見,非金屬反應時多會接收電子(除了氫),因此它們通常是氧化劑。而非金屬離子反應時通常會失去電子(除了氫離子),因此非金屬離子通常為還原劑。

b)常見的氧化劑和還原劑的化學變化
以下兩圖(表4和表5)列出了一些常見的氧化劑及還原劑反應時的化學變化:

表4:一些常見的氧化劑反應時的化學變化

濃硝酸,稀硝酸會在第4a節詳盡講解。

表5 :一些常見的還原劑反應時的化學變化

這一小節也可參考實驗1

圖4-5展示溴溶液、氯氣、碳和碘是怎樣的,而圖6-8會展示一些氧化劑被還原時的顏色變化。

圖4:溴溶液與氯氣

圖5:碳與碘

圖6:高錳酸根離子[MnO4^-(aq)](左)被還原為錳(II)離子[Mn²⁺(aq)](右)

圖7:重鉻酸根離子[Cr2O7^2-(aq)](左)被還原為鉻(III)離子[Cr³⁺(aq)](右)

圖8:鐵(III)離子[Fe³⁺(aq)](左)被還原為鐵(II)離子[Fe²⁺(aq)](右)

c)運用惰性電極的簡單化學電池內的氧化還原反應
其實簡單化學電池除了可以由金屬電極組成外,還可以運用碳(石墨)或鉑作電極。由於碳或鉑不會與電解質發出化學反應,因此它們常被稱為惰性電極(inert electrode) 。

圖9展示一個簡單化學電池的裝置,它是由兩個半電池組成。兩支碳電極分別放在盛有濃碘化鉀溶液[KI(aq)]和硫酸鐵(III)溶液[Fe2(SO4)3(aq)]的燒杯內。

圖9:以碳作為電極的簡單化學電池

注意:
K⁺,Na⁺,Ca²⁺,NO3^-,SO4^2-是很少進行氧化還原反應的離子,所以在這例子中不需要考慮K⁺和SO4^2-。

因此這簡單化學電池運作了短時間後,
在左邊的燒杯內(負極/陽極),電極周圍會呈棕色。這是因為碘離子[I^-(aq)]失去電子,被氧化為碘分子[I2(aq)],因此碘離子是還原劑。

而右邊燒杯內(正極/陰極),溶液會逐漸由黃色變為淡綠色,因鐵(III)離子[Fe³⁺(aq)]獲得電子,被還原為鐵(II)離子[Fe²⁺(aq)],因此鐵(III)離子是氧化劑。

因此電子會由濃碘化鉀溶液經外電路流至硫酸鐵(III)溶液。