氧化還原反應的定義

化學原理啟迪57

1.     接下來，我們討論「氧化鐵Fe3O4」組成原子的氧化數；「氧化鐵Fe3O4」是磁鐵的主要成分，是一種鐵礦，這種鐵礦是造成許多石頭與土壤帶有紅色的原因。

2.     我們說過，每個「氧」的氧化數是「－2」，那麼，3個「Fe鐵原子」氧化數就必須是「+8」才能跟4個「氧」的氧化數－8平衡。因此每個「Fe鐵原子」的氧化數是「+8/3」。

3.     非整數的氧化數看起來好像很奇怪，因為價電荷應該要是整數才對。不過，雖然這種情況很少見，非整數的氧化數確實存在，因為這是依據「氧化數規則」除出來的數字。

4.     「氧化數規則」假設化合物「Fe3O4」的每個「Fe原子」都是一樣的，雖然事實上，這個化合物結構應該看成，每個分子有4個「O 2^－離子」，和2個「Fe³⁺離子」和1個「Fe²⁺離子」。(「鐵Fe」的價電荷平均+8/3是把每個「Fe」視為一樣。)

5.     非整數的氧化數不應該嚇到你，它們跟整數的樣化數一樣有能力追蹤電子的轉移方向。

6.     氧化還原反應的特徵就是「電子轉移」。某些情況的電子轉移會形成離子，例如：

2Na(s)+ Cl2(g)→2NaCl(s)

7.     另一些情況的電子轉移，如「甲烷」的燃燒反應

 CH4(g) +  2O2(g ) →  CO2(g)  +  2H2O(g)

氧化態： －4 +1      0              +4 －2    +1 －2

Ø   「甲烷」的燃燒反應中，組成「氧氣O2」的「氧」原子，氧化數是「0」，因為它完全是以元素「氧O」構成的分子。

Ø   在這了反應裡，沒有產生任何離子化合物，但是我們仍然會說這個過程是電子轉移。

Ø   「碳」的氧化數從「CH4」的「－4」轉變為「CO2」的「+4」。這個改變可以看成是「碳C」總計失去8個「電子e^－」：

  CH4  →  CO2 + 8e^－

氧化態：－4       +4

Ø   另一方面，每個「氧O」從「氧氣O2」氧化數0，變成「水H2O」、「二氧化碳CO2」的氧化數「－2」，顯然每個「氧原子」都得到2個「電子」。因為總共有4個「氧原子」參與化學反應，所以全部的氧總共得到8個「電子」：

   2O2 + 8e^－ → CO2 + 2H2O

氧化態： 0                      4(－2)=8

Ø   「氫」的氧化數沒有改變，所以實際上「氫」並沒有參與電子反應的過程。

8.     經過以上討論獲得許多概念，我們現在可以對重要的名詞下定義。

9.     「氧化Oxidation」就是氧化數增加（失去電子）。「還原reduction」就是氧化數減少（獲得電子）。

10.  所以，合成氯化鈉NaCl的反應：

    2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)

氧化態：   0          0           +1 －1

11.  「鈉Na」被氧化，而「氯Cl」被還原。更進一步說，「氯氣Cl2」是氧化劑，(接受電子)，「Na」是還原劑(提供電子)。

12.  再觀察燃燒反應：

CH4(g) +  2O2(g ) →  CO2(g)  +  2H2O(g)

氧化態： －4 +1       0            +4 －2      +1 －2

13.  我們得到以下幾點結論：

(1)「碳C」被氧化，因為「碳C」的氧化數增加（「碳C」失去電子）。

(2)「氧O」被還原，因為「氧O」的氧化數減少（「氧O」獲得電子）。

(3)「甲烷CH4」是還原劑。

(4)「氧O2」是氧化劑。

14.  特別注意，在我們把化合物歸類為氧化劑或還原劑的時候，是指整個化合物，而不是指氧化數改變的某幾個元素。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》

 

徐弘毅：

1.     以合成「氯化鈉NaCl」的離子反應來說，「鈉Na」原子失去電子，氧化數增加，這個情形，與許多物質跟「氧O」起燃燒反應，電子被「氧O」奪走的狀況，如出一轍，所以稱為被氧化。

2.     但是因為「鈉Na」造成「氯Cl」被還原，所以它在整個反應中的角色是還原劑。

3.     在合成氯化鈉的反應中，「氯Cl」原子得到電子，氧化數減少，這種情況，與「氧O」跟其他物質燃燒反應的時候，奪走別人的電子一樣，所以「氯Cl」稱為被還原。「還原」的意思可能是「氧O」發揮自己強大陰電性的本色，「氯Cl」也是有陰電性的原子。

4.     但是因為「氯Cl」跟「鈉Na」反應，造成「鈉Na」被氧化，所以，「氯Cl」在整個反應中的角色是「氧化劑」。