氧化還原反應 Oxidation-Reduction Reaction

化學原理啟迪56

1.     如同我們所知道的，許多重要的物質是離子。舉例來說，氯化鈉NaCl(食鹽)，是元素氯Cl與鈉Na反應後的產物：

2Na(s)+ Cl2(g)→2NaCl(s)

2.     在這個反應中，固體鈉(由中性的鈉原子組成)和氯氣(雙原子組成的氯氣分子)，起化學反應，產生離子固體氯化鈉NaCl(由Na⁺和Cl^-離子組成)。

3.     這類反應，讓1~2個電子轉移，稱為「氧化還原反應oxidation-reduction reaction」，或「氧還反應 redox reaction」。

4.     許多重要的化學反應都與「氧化和還原」有關。事實上，大部分能量製造都是「氧還反應」。在人體裡面，糖、脂肪和氨基酸的氧化還原反應提供生命必需的能量。

5.     燃燒反應combustion reactions，提供人類社會大部分的能量，也是一種氧化與還原。舉例來說，「甲烷」與「氧」的反應：

CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)+能量

6.     雖然在這個反應裡沒有任何的反應物或產物是離子，這個反應仍然被認為與電子的轉移有關，電子從「碳C」轉移到「氧O」。

7.     再複習有關水分子的知識；「氧O」對電子的吸引力強於「氫H」，造成水分子的「氫氧鍵O-H」有極性。這個現象也同樣發生在其它的化學鍵身上。現在我們先了解一些基本(氧化數)原則，追蹤「氧化還原」反應中電子的轉移。

8.     分子由原子組成，原子彼此會共享電子形成化學鍵。對共享的電子引力最強的非金屬元素，位於元素符號表的最右上方的位置；它們是氟F、氧O、氮N 、氯Cl：

氟F>氧O>氮N ≈氯Cl

9.     「F氟」對共享電子的引力最強，其次是「O氧」、「N氮」和「Cl氯」。

10.  以下是氧化數規則。我們好好地應用這些規則，就能分辨大部分化合物的氧化數oxidation states。

氧化數的規則

Ø   純元素物質中的每一個原子的氧化數是「0」。舉例來說，固體鈉Na(s)、氧氣O2(s)、臭氧O3(g)、水銀Hg(l)等物質中的每個原子的氧化數是「0」。

Ø   「單原子離子monatomic」的氧化數就是它的電荷數。舉例來說，「鈉離子Na⁺」的氧化數是「+1」。

Ø   「氫H」與「非金屬元素」結合的共價化合物，「氫H」的氧化數是「+1」。舉例來說，鹽酸HCl、氨NH3、水H2O和甲烷CH4等化合物中，氫H的氧化數是「+1」。

Ø   含「氧O」的共價化合物中，「氧O」的氧化數是「－2」，例如一氧化碳CO、二氧化碳CO2、二氧化硫SO2、三氧化硫SO3。這個規則的例外是過氧化物peroxides(含有雙氧O2^2-的化合物)，過氧化物的每個「氧O」的氧化數是「－1」。過氧化物最有名的例子是雙氧水H2O2。

Ø   「二元化合物binary compounds」的其中一個原子，對共價鍵上的電子的引力非常大，那麼，這個元素的氧化數就是負的，氧化數的大小，跟這個元素在離子化合物中的電荷數一樣。

Ø   舉例來說，「氟F」的氧化數是 「－1」；這是因為「氟F」會從共價鍵上多吸引到1個電子，所以把「氟F」看成「F^－」。

Ø   「氮N」的氧化數通常是「－3」。舉例來說，「氨NH3」分子中，「氮N」的氧化數是「－3」。「硫化氫H2S」分子中，「硫S」的氧化數是「－2」。「碘化氫HI」分子中，「碘I」的氧化數是「－1」。

Ø   一個中性的化合物，它所有組成原子的氧化數加起來的總和必須是「0」，如果是一個離子化合物，那麼它所有組成原子的氧化數加起來的總和，必須等於離子化合物的「電荷數」。

Ø   舉例來說，「水H2O」分子是「中性的」，「水H2O」的組成原子「氫H」和「氧O」的氧化數加起來，是「0」。「碳酸根離子CO3^2－」的組成原子「碳C」跟「氧O」的氧化數加起來是「－2」；「氨離子NH4⁺」的組成原子「氮N」跟「氫H」的氧化數是「+1」。

 

11.  【範例】請寫出以下所有原子的氧化數

a.CO2   b. SF6  c. NO3^－

12.  解決 問題a.要用到的規則是「氧O」的氧化數是「－2」。

判斷碳的氧化數，首先要知道，CO2分子是中性、沒有極性的，所以「氧O」和「碳C」的氧化數相加總合是0。因為每個「氧O」的氧化數是「－2」，所以「碳」的氧化數是「+4」。

13.  問題b.要注意的是，「氟F」對化學鍵上共享的電子的引力比較強，我們應該先設定「F」的氧化數。

因為它的離子化合物極性是「－1」，所以我們設定「F」的氧化數「－1」。因為整個分子是中性的，所以，「硫」的氧化數是「+6，這樣剛好跟6個氧化數「－1」的「氟」平衡。

14.  因為「氧」對共享的電子吸引力強於「氮」，所以，我們首先設定「氧」的氧化數「－2。因為3個「氧」的氧化數相加總合是「－6」，而「NO3^－」的淨極性是「－1」，所以「氮」的氧化數必須是「+5」。

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

 

Ø   霍爾：天才，是力量的集合。你如果想要得到某一種東西，就要像貓追老鼠一樣，全身的肌肉都緊張起來，全力以赴地朝著自己的目標衝刺。

Ø   佛列德里克：如果能契而不捨地追求目標，嚴守道德，就能達成所有的目標。

Ø   愛默生：了解事實，認清事實。一切事實的基礎都是由於熱誠產生的，只有在熱誠的工作中，才能產生純真的心靈。