Chapter 8氧化與還原

本章目錄8-1 氧化還原反應8-2 氧化數 8-3 氧化還原反應的平衡8-4 常見的氧化劑與還原劑8-5 氧化還原滴定

Ch8 學習概念圖

8-1 氧化還原反應

氧化還原反應

原理

氧化還原示意圖

氧化還原反應的實例

抗氧化劑

金屬離子化順序

金屬離子化傾向

8-2 氧化數

氧化數

氧化數的意義、通則

氧化數計算

氧化數與週期表

第一列過渡元素常見氧化數

自身氧化還原反應

氧化還原的定義、還原劑與氧化劑

氧化還原 vs. 酸鹼中和的比較

8-3 氧化還原反應的平衡

氧化還原反應的平衡

氧化與還原反應

半反應法～平衡化學反應式

氧化數法～平衡化學反應式

8-4 常見的氧化劑與還原劑

常見的氧化劑與還原劑

SO2 可當氧化劑、還原劑

過錳酸鉀晶體

氧化劑

還原劑

H2O2 可當氧化劑、還原劑

Fe2+ 與 Fe3+ 之不同反應

8-5 氧化還原滴定

氧化還原滴定

克當量、克當量數、當量濃度

滴定操作

指示劑

達當量點 - 計算方法氧化還原當量濃度、酸鹼當量濃度

碘滴定法、間接滴定法

漂白水

化學螢河

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8-1 氧化還原反應原理

氧化劑與還原劑會同時存在

8-1

氧化還原示意圖

失去電子 得到電子8-1

氧化還原反應的實例 (1)

光合作用

穀類

氧化還原反應的實例 (2)鐵生鏽

氧化還原反應的實例 (3)水管暢通劑

氧化還原反應的實例 (4)昆蟲利用氧化還原反應驅離獵食者

氧化還原反應的實例 (5)銅的氧化還原反應

氧化還原反應的實例 (6)鐵釘被鹽酸腐蝕

汽車的動力主要來自於汽油與氧氣所進行的氧化還原反應；水是產物之一，可在排氣管處被發現。

氧化還原反應的實例 (7)汽油的燃燒

氧化還原反應的實例 (8)太空梭升空：燃料進行氧化還原反應

氧化還原反應的實例 (9)火樹銀花

Cu(s) ＋ 2Ag+(aq) → Cu2+

(aq) + 2Ag(s)

8-1

抗氧化劑 (1)

維生素E

維生素C

胡蘿蔔素

抗氧化劑 (2)藥物化學或是食品化學中，還原劑也被稱為抗氧化劑

抗氧化劑：可防止或抑制食品藥物受氧化劑氧化而分解的藥物或試劑人體反應中會產生一些帶有未成對電子的物質，這些物質非常活潑，會攻擊細胞內的 DNA 導致突變，或是癌症，一些報導顯示抗氧化劑可以降低損害

食品中也添加抗氧化劑以降低氧氣對食品造成的酸敗，例： 2,6- 二三級丁基 -4- 甲基酚，簡稱 BHT

8-1

金屬離子化順序

8-1

金屬離子化傾向

8-1

8-2

8-2 氧化數氧化數的意義

在氧化還原反應中，為了便於計算參與反應原子所得失的電子數目，所定出之電荷數氧化數是一種假想的電荷，並不能推論離子的必然存在。氧化數不代表真正的電荷，但是可以說明電子的得失例： MnO4

－中， Mn 的氧化數為＋ 7 ，但並不表示 Mn 7 ＋必然存在氧化數可以為正值、負值、分數或零

氧化數的通則 (1)對　象 說　　　　　明元素 元素態原子的氧化數恆為零單原子離子

單原子離子中，原子的氧化數等於該離子的電荷

氧（ O ）

大部分氧化物中氧的氧化數為－ 2 。過氧化物如 H2O2 中 O 的氧化數為－ 1﹔超氧化物如 KO2 中 O 的氧化數為－ 1/2﹔OF2 中 O 的氧化數為＋ 2

氫（ H ）

大部分含氫化合物中﹐氫的氧化數為＋ 1 。然而，氫與鹼金屬或鹼土金屬化合物的氧化數則為－ 1

氧化數的通則 (2)對　象 說　　　　　明

鹵素原子氟化物中氟的氧化數為－ 1﹔Cl 、 Br 、 I 均具有－ 1 的氧化數，如果與 F 或 O 結合時，其氧化數可為＋1 、＋ 3 、＋ 5 或＋ 7

鹼金屬與鹼土金屬

鹼金屬離子的氧化數為＋ 1﹔鹼土金屬離子的氧化數為＋ 2

多原子分子與離子

各組成原子的氧化數和等於該分子或離子所帶的電荷

其他 分子或離子中，各組成原子的氧化數不得高於其價電子數

8-2

氧化數計算HBr 、 H2S 、 NH3

＋ 1 ＋ 1 ＋1

NaH 、 CaH2

－ 1 － 1

CO 、 H2O － 2 － 2

H2O2 、 KO2

－ 1 － 1/2

K2CO3 、 Na2O2

＋ 1 ＋ 1

CaCO3 、 CaH2

＋ 2 ＋ 2

NF3 、 NH3

－ 1 － 3

SO42 －

＋ 6

例題：氧化數 (1)

例題：氧化數 (2)

8-2

氧化數與週期表

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A

氧化數 ＋ 1 ＋ 2 ＋ 3最高＝族數最低＝族數－ 8

＋ 4

－ 4

＋ 5

－ 3

＋ 6

－ 2

＋ 7

－ 1

8-2

第一列過渡元素常見氧化數Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

氧化數

＋3

＋1

＋2

＋2

＋2

＋2

＋2

＋2

＋1

＋2

＋2

＋3

＋3

＋3

＋3

＋3

＋3

＋2

＋3

＋4

＋6

＋4

＋4

＋5

＋6

＋7 8-2

自身氧化還原反應

同一物種的同一元素反應後生成兩種不同產物一種產物氧化數增加，另一產物氧化數減少反應物 I2 : 作為氧化劑占 5/6 (I2 →I － ) ， 作為還原劑占 1/6 (I2 → IO3

－ )

氧化數 0 -1

+5

8-2

氧化還原的定義

還原劑與氧化劑

還原劑 氧化劑發生氧化反應 發生還原反應

失去電子，氧化數增加Zn → Zn2+ + 2e －

得到電子，氧化數減少Cu2+ + 2e － → Cu

本身被氧化，使他物還原→為還原劑 (Zn)

本身被還原，使他物氧化→為氧化劑 (Cu2+ )

•氧化還原反應是一種得失電子的反應，反應中有一 物質失去電子，則必有另一物質獲得電子•氧化與還原必定同時進行

例如： Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

8-2

氧化還原 vs. 酸鹼中和的比較

利用氧化還原的原理：米粉的檢驗與反應

8-2

8-3

8-3 氧化還原反應的平衡氧化與還原反應

氧化劑

還原劑

8-3

氧化還原反應的平衡 :半反應法 (1)

(1) 觀察反應物中各組成原子之氧化數變化，並依據變化情形，判定何者為氧化劑、何者為還原劑。

(2) 分別列出各試劑所進行的半反應，並藉由添加電子數平衡各半反應的氧化數變化。

半反應法 (2)(3) 依據步驟 (2) 中各半反應的電子得失數，先取其最小公倍數，再依據此最小公倍數，分別對各半反應乘以適當整數，使得各半反應的電子數相等。

(4) 將步驟 (3) 中之半反應相加。

半反應法 (3)(5) 必要時，依據酸性條件或鹼性條件添加 H ＋ 或OH －，使反應式兩邊的電荷數相同。

(6) 檢視步驟 (5) 中氫原子或氧原子數目是否相等，若不相等，則加入適當數量的 H2O 。

半反應法 - 實例• 二鉻酸鉀（ K2Cr2O7）是實驗室常用的氧化劑，在酸性條件下其還原半反應為Cr2O7

2 －(aq)→ 2 Cr 3 ＋

(aq) ，試平衡上述半反應。

解：Cr2O7

2 －(aq)＋ 6 e －＋ 14 H ＋

(aq) →2Cr 3 ＋(aq) ＋ 7H2

O (l)

8-3

氧化數法～平衡化學反應式

氧化還原反應的平衡 :氧化數法 (1)

(1) 觀察全反應，找出各試劑相對應的產物，並依據氧化數變化情形，判定何者為氧化劑、何者為還原劑。

(2) 標示出每一莫耳氧化劑或還原劑氧化數的增減。

氧化數法 (2)(3) 根據各反應物氧化數之增減值，求出最小公倍數，再依據此最小公倍數，分別對反應物及其相關產物乘以適當係數，使氧化數增減總和為零。

氧化數法 (3)(4) 檢視上述步驟所得的反應式，必要時，依據實驗條件添加 H ＋ 或 OH －，使反應式兩邊之電荷數相同。

(5) 檢視步驟 (4) 中反應式兩端原子數目是否相等，否則藉由 H2O 之添加，使反應式兩端原子數目一致

8-3

8-4

8-4 常見的氧化劑與還原劑

氧化劑

還原劑

SO2 可當氧化劑、還原劑

8-4

過錳酸鉀晶體

8-4

氧化劑 (1)

氧化劑 (2)

氧化劑 (3)

氧化劑 (4)

8-4

還原劑 (1)

還原劑 (2)

還原劑 (3)

還原劑 (4)

8-4

H2O2 可當氧化劑、還原劑

8-4

Fe2+ 與 Fe3+ 之不同反應

8-4

8-5

8-5 氧化還原滴定克當量

(克 )當量

在氧化還原反應中，得失 1 mol 電子所需的重量

數得失電子分子量

克當量＝

KMnO4 當量＝ 158/5 ＝ 31.6 ，

即取 31.6 克 KMnO4 ，可獲得 1mol 電子

克當量數

克當量數在氧化還原反應中，所得失電子的莫耳數，稱為該物的克當量數

得失電子數分子量重量＝

得失電子數分子量重量＝

克當量重量克當量數＝

nmole克當量數＝

n ：得失電子數

當量濃度當量濃度 每升溶液中所含之當量數，以 CN 表示

nC＝V

nmole＝( )體積 升

當量重量

＝( )體積 升

當量數＝C當量濃度 M液

N

nC＝C MN n ：得失電子數

莫耳濃度 vs. 當量濃度

分子量 Mw 當量

莫耳數 當量數

莫耳濃度 當量濃度)L(液

NV

當量數C

E

W當量數

n

ME

w

wM

Wmole

)L(液M

V

moleC

n ：得失電子數8-5

滴定操作

介紹：氧化還原滴定

當量點氧化還原氧化劑的克當量數＝還原劑的克當量數

滴定終點 滴定時，指示劑改變顏色的瞬間為滴定終止的點，稱為終點

8-5

指示劑自我指示劑 氧化劑或還原劑本身顏色會改變MnO4

－(aq) ＋ 5Fe2 ＋

(aq) ＋ 8H ＋(aq) → Mn2 ＋

(aq) ＋ 5Fe3 ＋(aq)

＋ 4H2O

紫紅色 粉紅色氧化還原指示劑 澱粉

( 藍色 ) ( 無色 )

－－－ 澱粉 264

2322 OS2IOSI

標定

標定

由於溫度或是化學變化之故，致使滴定實驗中所使用的標準指示劑的純度或濃度發生變化，必須藉另一標準試劑校正

由於過錳酸鉀易於潮溼環境中分解，因此滴定前其濃度必須予以標定（ standardization ）

8-5

達當量點 - 計算方法氧化劑的克當量數＝還原劑的克當量數

方法 1 ： CM 氧 × V 氧 × n 氧 = CM 還 × V 還 × n

還

方法 2 ： mole 氧 × n 氧 = mole 還 × n 還

方法 3 ： CN 氧 × V 氧 = CN 還 × V 還

CM ：氧化劑或還原劑的體積莫耳濃度V ：氧化劑或還原劑的體積n ：得失電子數CN ：氧化劑或還原劑的當量濃度mole ：氧化劑或還原劑的莫耳數

達當量點 - 計算實例

滴定計算

8-5

氧化還原當量濃度、酸鹼當量濃度

化合物 H2C2O4 NaHSO3 KHC2O4

酸 2N 1N 1N

還原劑 2N 2N 2N

8-5

碘滴定法

原理在碘滴定中，以澱粉作為指示劑，因 I2 與澱粉呈現藍色，但 I －與澱粉呈無色

直接滴定法

以 I2 為氧化劑來直接滴定還原劑 一般以碘的 KI溶液作為滴定液(因為碘難溶於水 ) ，以澱粉作為指示劑，滴定終點為藍色的出現

間接滴定法

原理 以 I －為還原劑來間接滴定氧化劑

間接滴定法

加入過量的 I －，與氧化劑完全反應，再利用已知濃度的硫代硫酸鈉 Na2S2O3溶液滴定生成的 I2 ，以澱粉作為指示劑，滴定終點時藍色消失

－－ 2ClII2Cl 22

－－－ 2

642

322 OS2IO2SI 8-5

漂白水製造漂白水

OCl － ：強氧化劑，具漂白和殺菌效果

把鹽酸加入漂白水

OHNaOClNaClCl2NaOH 22

OHClCl2HClO 22

8-5

化學螢河

8-5

發光胺 Luminol

過氧化氫