第 8章　氧化與還原

• 8-1　氧化還原反應的定義• 8-2　氧化數• 8-3　氧化劑與還原劑• 8-4　氧化還原反應式的平衡• 8-5　氧化還原滴定

(a) 火藥的爆炸 (b) 葡萄酒的釀製 (c) 光合作用圖 8-1 　生活中的氧化還原反應

8-1　氧化還原反應的定義

• 狹義的氧化還原反應定義– 物質與氧結合的反應稱為氧化 (oxidation)– 物質失去氧的反應稱為還原反應 (reduction)

• 現今對氧化還原反應的定義– 物質失去電子的反應稱為氧化反應– 物質得到電子的反應稱為還原反應

(a) 鈉的燃燒 (b) 鐵礦的提煉圖 8-2 　氧化還原反應

(s)22(g)(s) O2NaO4Na

(g)(s)(s)3(s)2 3CO2Fe3COFe

• 從反應式中可以看出鈉金屬失去電子氧化，氧及氯得到電子還原，因此鈉在氯氣中燃燒也屬氧化還原反應

(s)22(g)(s) O2NaO4Na +1 ?2

(s)2(g)(s) 2NaClCl2Na +1 ?1

• 常見的氧化還原反應分為下列幾種型態– 化合反應– 分解反應– 置換反應– 燃燒反應

(s)2(g)(s) 2NaClCl2Na

2(l)(s) O+2Hg2HgO

4(aq)(s)4(aq)(s) ZnSOCuCuSOZn

(g)22(g)2(g)(g)52 O3H2CO3OOHHC

• 化合反應(s) 2(g) (s)2Na Cl 2NaCl

鈉和氯氣化合生成氯化鈉

• 分解反應

圖 8-3 　氧化汞的分解

2(l)(s) O+2Hg2HgO

• 置換反應4(aq)(s)4(aq)(s) ZnSOCuCuSOZn

圖 8-4 　鋅和硫酸銅的反應

• 燃燒反應2 5 (l) 2(g) 2(g) 2 (g)C H OH 3O 2CO 3H O

圖 8-5 　乙醇的燃燒

8-2　氧化數

• 氧化數的基本意義就是成分元素在物質中所呈現的電荷

• 此種定義與事實有些出入，例如水分子(H2O)中，氫與氧的氧化數分別為 +1及 ?2，並不意味水分子含有兩個帶 +1電荷的氫以及一個帶 ?2電荷的氧

氧化數的訂定規則

• 元素狀態的物質，氧化數為 0• IA化合物中， IA元素的氧化數為 +1• IIA化合物中， IIA元素的氧化數為 +2• 單原子離子的氧化數即等於其所帶電荷• 氟化物中， F的氧化數為 ?1• 含氫的分子化合物中， H的氧化數為 +1

– 鹼金屬或鹼土金屬的氫化物中， H的氧化數為 ?1

• 大部分氧化物 O的氧化物為 ?2

– 過氧化物，例如 H2O2, Na2O2中， O的氧化數為 ?1

– 超氧化物，例如 KO2中， O的氧化數為 ?1/2

– 氟氧化物，例如 OF2中， O的氧化數為 +2

• 分子或離子所帶電荷等於各成分元素的氧化數總和

8-3　氧化劑與還原劑

(a) 反應前的鐵片與硫酸銅溶液

(b) 鐵片置入硫酸銅溶液中

(c) 反應後的鐵片與硫酸銅溶液圖 8-7 　鐵與銅離子的反應

(s)(aq)2

(aq)2

(s) CuFeCuFe

• 一般而言，金屬失去電子形成離子的傾向順序如下– K>Ca>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Cr>Fe>Co>Ni>

Sn>Pb>Cu>Hg>Ag>Pt>Au

• 反應物失去電子發生氧化反應，使他種反應物獲得電子發生還原反應，此反應物稱為還原劑

• 反應物獲得電子發生還原反應，使他種反應物失去電子發生氧化反應，此反應物稱為氧化劑

• 還原劑在反應中其氧化數增加；氧化劑在反應中其氧化數減少。因此，鐵釘與硫酸銅溶液的反應，可表示如下

(s)(aq)2

(aq)2

(s) CuFeCuFe

氧化數 0 +2 +2 0

氧化劑

還原為

還原劑

氧化為

• 還原劑與氧化劑的性質

Cu2+>Fe2+氧化力比較Fe>Cu還原力比較Fe>Cu金屬活性

減少增加氧化數的變化得到電子失去電子電子得失情形還原反應氧化反應發生的反應型式

氧化劑（例如 Cu2+ ）還原劑（例如 Fe ）性　質

• 常見的還原劑與氧化劑

過氧化氫H2O2

氯Cl2

氯酸鉀KClO3硫酸亞鐵FeSO4

硝酸鉀KNO3草酸H2C2O4

二鉻酸鉀K2Cr2O7鋅Zn

二氧化錳MnO2鋁Al

過錳酸鉀KMnO4碳C

學　名化學式學　名化學式化學式還原劑

8-4　氧化還原反應式的平衡

• 氧化數法 (oxidation number method)

• 半反應法 (half reaction method)

8-4-1　氧化數法

• 以二鉻酸鉀與硫酸亞鐵在酸性溶液中的反應為例

1.將氧化數有變化的元素標示出來

OHFeCrHFeOCr 23322

72

OHFeCrHFeOCr 23322

72

+6 +2 +3 +3

2.計算反應前後氧化數的增減總量，以架橋方式表示

還原劑每莫耳失去電子總數為

OHFeCrHFeOCr 23322

72

+6 +2 +3 +3

(3?2)=+1

氧化劑每莫耳獲得電子總數為(3?6)×2=?6

3.乘以適當倍數使其得失電子數相等

OHFeCrH6FeO1Cr 23322

72

+6 +2 +3 +3

(3?2)=+1→?6×6

(3?6)×2=?6→?2×1

4.反應前後必需遵守原子不滅

OH6Fe2CrH6FeO1Cr 23322

72

+6 +2 +3 +3

(3?2)=+1→?6×6

(3?6)×2=?6→?2×1

5.反應前後必需遵守電荷守恆

OH6Fe2Cr14H6FeO1Cr 23322

72

+6 +2 +3 +3

(3?2)=+1→?6×6

(3?6)×2=?6→?2×1

6.利用 H的原子不滅或 O的原子不滅，決定 H2O的係數

其中係數為 1者可以省略

O7H6Fe2Cr14H6FeO1Cr 23322

72

+6 +2 +3 +3

(3?2)=+1→?6×6

(3?6)×2=?6→?2×1

8-4-2　半反應法

• 今以銅與稀硝酸的反應為例，其離子反應式可寫成

1.寫出氧化與還原的半反應氧化半反應還原半反應

OHNOCuHNOCu 22

3

2eCuCu 2

NOe3NO3

2.平衡氧化與還原半反應的電荷數與原子數氧化半反應還原半反應

2eCuCu 2

OH2NOH4e3NO 23

3.氧化還原反應的得失電子數相等，兩個半反應各乘以適當倍數氧化半反應 ×3

還原半反應 ×2

4.將兩個半反應相加，便可獲得全反應

6e3Cu3Cu 2

O4H2NO12H6e2NO 23

O4H2NO3Cu8H2NO3Cu 22

3

8-5　氧化還原滴定

• 氧化還原反應中，氧化劑得到的電子總數 =還原劑失去的電子總數

• 可藉滴定實驗，利用已知濃度的氧化劑（或還原劑）來定量還原劑（或氧化劑）

8-5-1　過錳酸鉀溶液滴定硫酸亞鐵溶液

2 2 3+4(aq) (aq) (aq) (aq) (aq) 2 (l)1MnO 5Fe 8H Mn 5Fe 4H O

圖 8-8 　過錳酸鉀溶液滴定硫酸亞鐵溶液

剛開始滴定時，因為加入的過錳酸鉀（氧化劑）會與待測液中的Fe2+（還原劑）完全作用，所以過錳酸鉀的紫色會消失。當滴定至待測液中的 Fe2+完全反應成 Fe3

+，加入過錳酸鉀會出現紫色，即為滴定終點

KMnO4:FeSO4=1:5

8-5-2　過錳酸鉀溶液滴定草酸鈉溶液

(l)22(aq)(aq)2

(aq)(aq)2424(aq) O8H+10CO2Mn16HO5C2MnO

圖 8-9 　過錳酸鉀溶液滴定草酸鈉溶液

剛開始滴定時，因為加入的過錳酸鉀（氧化劑）會與待測液中的C2O4

2?（還原劑）完全作用，所以過錳酸鉀的紫色會消失。當滴定至待測液中的 C2O4

2?完全反應成 CO2，加入過錳酸鉀會出現紫色，即為滴定終點

KMnO4:Na2C2O4=2:5