平衡氧化還原反應—氧化數方法

化學原理啟迪58

1.     「氧化還原反應」通常比較複雜，意思是我們很難光靠觀察，來平衡反應方程式。在這個章節，我們將討論二種平衡「氧還反應」的方法：(1)氧化數的方法。(2)半反應的方法。

2.     【氧化數方法】甲醇是一種高速運轉引勤的燃料，印第安納波里斯大賽的賽車，就是用甲醇為燃料。尚未平衡的燃燒反應是；

CH3OH(l) + O2(g)→ CO2(g) + H2O(g)

3.     我們要利用氧化數的改變，來平衡這個反應方程式，所以，首先，我們必須寫出所有元素的氧化數。

4.     這一次主角是分子「甲醇CH3OH」。我們已經知道，每個「氫H」的氧化數是「+1」，「氧O」的氧化數是「－2」，這代表「甲醇」中的「碳C」氧化數是「－2」，因為整個甲醇分子是中性的（注）。(+1×4) + (－2) + C =0  ,C=－2

5.     所以，這個反應的氧化數（藍色數值）是：

   CH3OH(l)  +  O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

 -2 +1 -2 +1      0          +4 -2     +1 -2

6.     特別注意，「碳C」的氧化數從「－2」變成「+4」，氧化數增加「6」。另一方面，「氧O」的氧化數從「0」變成「－2」，氧化數減少「2」。

7.     因此，我們需要3個「氧O」來平衡1個「碳C」所增加氧化數。我們把這二種原子之間的關係描寫如下：

CH3OH(l) + 3/2O2(g) → 產物

1個碳     3個氧

8.     這個反應方程式的其他部分，可用觀察法來平衡：

CH3OH(l) + 3/2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

9.     然後再把它轉成符合習慣的方程式(全部×2，讓係數變成整數)：

2CH3OH(l)+ 3O2(g)→2CO2(g) +4H2O(g)

10.  利用氧化數方法來平衡氧化還原方程式的時候，1.我們發現反應物的係數，將讓所增加的氧化化數與減少的氧化數一樣。2.方程式剩下的部分則用觀察法來平衡。

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

 

徐弘毅：

1.     平衡的化學反應，基本的概念是1.「質量守恆定律」，反應前後的原子數量不會無故增加，也不會無故減少，反應前後每種原子的數量一樣；2.「能量守恆定律」，反應前後的能量不會無故增加，也不會無故減少，反應前後的總能量一樣。

2.     「氧化數方法」是依據「能量守恆定律」產生的平衡法。因為「氧化還原反應」來自於電子轉移，如果反應中有某些原子失去電子，就一定有原子得到電子，因為能量不會憑空消失。

3.     以「甲醇CH3OH」的燃燒為例，反應前甲醇的「碳C」的氧化數是「－2」，反應後產生的「二氧化碳CO2」的氧化數是「+4」，氧化數增加「6」代表「碳C」在這個燃燒反應過程中失去「6個電子」，這「6個電子」跑到哪裡去了？

4.     首先排除「氫原子H」，因為「氫H」反應前後，氧化數都是「+1」，完全沒變，顯然沒有得到任何電子。

5.     那麼就剩下「氧O」，燃燒反應前，空氣中的「氧氣O2」分子的氧化數是「0」，反應後，產生「二氧化碳CO2」與「水H2O」分子，這些分子裡頭的「氧O」的氧化數是「－2」，每個「氧O」原子反應後得到「2個電子」。

6.     顯然，是「氧O」拿走「碳C」失去的電子。

7.     因為「碳C」總共丟掉「6顆電子」，而每個「氧O」原子可接下「2個電子」，所以，總共必須有3個「氧O」原子接收全部「6個電子」。也就是，一個「甲醇分子」，需要3個「氧原子」才能完成燃燒反應。

8.     但是因為「氧氣分子」是由2個「氧O原子」組成，所以，我們必須先把「氧氣分子O2」先除「2」，然後再乘上「3」倍，這樣才是「3」個「氧O原子」，以上描述就是：2/3O2。

9.     到目前為止，每個電子轉移到哪裡都知道了，氧化還原的能量是平衡了，但是，反應前後每種原子的數量有沒有平衡呢？這要用觀察法。

10.  用觀察法，把反應前後的原子數量調整成一樣，符合「質量守恆定律」之後，「甲醇燃燒」的方程式就完全平衡。