歡迎來到氧化還原反應！
大家好！準備好探索其中一種最重要的化學反應——氧化還原反應了嗎！你可能沒聽過這個名字，但其實它們無處不在，由手機電池提供電力，到蘋果切片後變成棕色，再到我們身體從食物中獲取能量，都是氧化還原反應的體現。是不是很重要呢？
在這一章，我們會揭開氧化還原反應的神秘面紗。我們會學習如何辨識這些反應，了解一個特殊的「記帳」工具，叫做氧化數，還會掌握平衡氧化還原反應式的技巧。就算一開始覺得有些難也不用擔心，我們會一步步拆解的！
第一節：什麼是氧化與還原？
氧化還原反應其實就是氧化作用與還原作用同時發生的反應。它們是密不可分的！就像同一個錢幣的兩面一樣。我們可以用幾種方法來定義它們。
1. 經典定義：從氧和氫的得失來看
這是科學家最初思考氧化還原反應的方式。它簡單易懂，適用於許多常見反應。
氧化作用即是得到氧或失去氫。
還原作用即是失去氧或得到氫。
例子：氧化銅(II)與氫的反應。
$$ CuO(s) + H_2(g) ightarrow Cu(s) + H_2O(l) $$
• 氧化銅(II) ($$CuO$$) 失去氧變為銅 ($$Cu$$)。因此，$$CuO$$ 被還原。
• 氫氣 ($$H_2$$) 得到氧變為水 ($$H_2O$$)。因此，$$H_2$$ 被氧化。
2. 現代定義：從電子得失來看 (最重要的定義！)
氧化還原反應的核心，其實是電子的轉移。這個定義更加全面且強大，因為它適用於所有氧化還原反應，不只是涉及氧或氫的反應。
這裡有個超實用的記憶法，幫助你輕鬆記住：
OIL RIG
Oxidation Is Loss (of electrons) – 氧化是失 (電子)
Reduction Is Gain (of electrons) – 還原是得 (電子)
例子：將鋅片放入硫酸銅(II)溶液中。
$$ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) ightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) $$
我們將其拆解成兩個半反應式：
• 氧化半反應式： 鋅原子失去兩個電子，變成鋅離子。
$$ Zn(s)
ightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- $$ (失去電子 = 氧化)
• 還原半反應式： 銅(II)離子得到兩個電子，變成銅原子。
$$ Cu^{2+}(aq) + 2e^-
ightarrow Cu(s) $$ (得到電子 = 還原)
變化的推手：氧化劑與還原劑
在氧化還原反應中，有一種物質會導致另一種物質發生變化。我們稱這些為「劑」。
• 氧化劑（或稱氧化物）是一種能使其他物質氧化的物質。在這個過程中，氧化劑本身會被還原（它會得到電子）。
• 還原劑（或稱還原物）是一種能使其他物質還原的物質。在這個過程中，還原劑本身會被氧化（它會失去電子）。
類比時間到！ 想像一下旅行社的職員（旅行代理）。旅行社職員自己不會去旅行；他們是使其他人去旅行。同樣地，還原劑不是自己被還原；它是使另一種物質被還原！
在我們的例子中，$$ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) ightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) $$：
- $$Zn$$ 被氧化，因此它是還原劑。
- $$Cu^{2+}$$ 被還原，因此它是氧化劑。
第一節學習重點
氧化還原反應的重點就是電子的轉移。記住OIL RIG：氧化是失（電子），還原是得（電子）。被氧化的物質是還原劑，而被還原的物質就是氧化劑。
第二節：氧化數——氧化還原反應的終極工具
那麼，電子轉移在離子反應中很容易看到。但是對於共價化合物的反應呢？它們的電子是共用，而不是完全轉移的。為了解決這個問題，我們會用到一個概念，就是氧化數（O.N.），有時亦會稱為氧化態。
氧化數是指一個原子如果它所有鍵都是百分百離子鍵的話，它所帶的假設性電荷。它是一種追蹤電子位置的方法，即使電子是共用著也行。
如何指定氧化數：規則
請按順序遵守以下規則。排在清單越前的規則，優先次序越高！
1. 元素狀態下的原子： 氧化數為 0。（例如，$$Na$$、$$Cl_2$$、$$O_2$$、$$P_4$$ 的氧化數都是 0）
2. 簡單離子： 氧化數等於其電荷。（例如，在 $$Na^+$$ 中，Na 的氧化數是 +1；在 $$S^{2-}$$ 中，S 的氧化數是 -2）
3. 化合物中的第1族與第2族金屬： 第1族永遠是 +1。第2族永遠是 +2。
4. 化合物中的氟： 永遠是 -1。
5. 化合物中的氫： 幾乎永遠是 +1。（罕有例外是金屬氫化物，例如 $$NaH$$，其中 H 是 -1）。
6. 化合物中的氧： 幾乎永遠是 -2。（例外包括過氧化物，例如 $$H_2O_2$$，其中 O 是 -1）。
7. 對於中性化合物： 所有原子的氧化數總和必須是 0。
8. 對於多原子離子： 所有原子的氧化數總和必須等於該離子的電荷。
逐步示範：
例子1：求硫酸 ($$H_2SO_4$$) 中硫 (S) 的氧化數。
1. 這是一個中性化合物，因此總氧化數必須是 0。（規則7）
2. 我們知道 H 的氧化數是 +1（規則5），O 的氧化數是 -2（規則6）。
3. 設 S 的氧化數為 'x'。
4. 列出方程：$$ (2 imes H) + (1 imes S) + (4 imes O) = 0 $$
$$ (2 imes (+1)) + (x) + (4 imes (-2)) = 0 $$
$$ +2 + x - 8 = 0 $$
$$ x = +6 $$
因此，硫酸 ($$H_2SO_4$$) 中 S 的氧化數是 +6。
例子2：求重鉻酸鹽離子 ($$Cr_2O_7^{2-}$$) 中鉻 (Cr) 的氧化數。
1. 這是一個帶有 2- 電荷的多原子離子，因此總氧化數必須是 -2。（規則8）
2. 我們知道 O 的氧化數是 -2（規則6）。
3. 設 Cr 的氧化數為 'y'。有兩個 Cr 原子，因此是 '2y'。
4. 列出方程：$$ (2 imes Cr) + (7 imes O) = -2 $$
$$ (2y) + (7 imes (-2)) = -2 $$
$$ 2y - 14 = -2 $$
$$ 2y = +12 $$
$$ y = +6 $$
因此，重鉻酸鹽離子 ($$Cr_2O_7^{2-}$$) 中每個 Cr 原子的氧化數都是 +6。
3. 最終定義：從氧化數來看
利用氧化數，我們可以得到最全面且普適的氧化還原定義：
氧化作用是指氧化數的增加。
還原作用是指氧化數的減少。
想像一條數線！向右移動（例如：-1 變 0，+2 變 +4）就是氧化。向左移動（例如：0 變 -2，+7 變 +2）就是還原。
第二節學習重點
氧化數是我們追蹤電子的「記帳」工具。記住如何指定它們的規則！氧化即是氧化數上升；還原即是氧化數下降。這個定義適用於所有反應！
第三節：常見的氧化劑與還原劑
在實驗室裡，你會遇到許多常見的化學劑。認識它們是什麼，以及有什麼作用，是非常有用的！
常見氧化劑 (它們喜歡得到電子，並被還原！)
試劑： 酸性過錳酸鉀(VII)，$$MnO_4^-(aq)/H^+(aq)$$
變化： 錳原子的氧化數由 +7 變為 +2。
顏色變化： 紫色變為無色
半反應式： $$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5e^-
ightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) $$
試劑： 酸性重鉻酸鉀(VI)，$$Cr_2O_7^{2-}(aq)/H^+(aq)$$
變化： 鉻原子的氧化數由 +6 變為 +3。
顏色變化： 橙色變為綠色
半反應式： $$ Cr_2O_7^{2-}(aq) + 14H^+(aq) + 6e^-
ightarrow 2Cr^{3+}(aq) + 7H_2O(l) $$
試劑： 鐵(III)離子，$$Fe^{3+}(aq)$$
變化： 鐵離子的氧化數由 +3 變為 +2。
顏色變化： 黃/棕色變為淺綠色
半反應式： $$ Fe^{3+}(aq) + e^-
ightarrow Fe^{2+}(aq) $$
其他重要的氧化劑包括： 氯氣 ($$Cl_2$$)、硝酸 ($$HNO_3$$) 和濃硫酸 (conc. $$H_2SO_4$$)。
常見還原劑 (它們喜歡失去電子，並被氧化！)
試劑： 鐵(II)離子，$$Fe^{2+}(aq)$$
變化： 鐵離子的氧化數由 +2 變為 +3。
顏色變化： 淺綠色變為黃/棕色
半反應式： $$ Fe^{2+}(aq)
ightarrow Fe^{3+}(aq) + e^- $$
試劑： 碘離子，$$I^-(aq)$$
變化： 碘離子的氧化數由 -1 變為 0（在 $$I_2$$ 中）。
現象： 無色溶液變為棕色。
半反應式： $$ 2I^-(aq)
ightarrow I_2(aq) + 2e^- $$
試劑： 亞硫酸鹽離子，$$SO_3^{2-}(aq)$$
變化： 硫原子的氧化數由 +4 變為 +6（在 $$SO_4^{2-}$$ 中）。
半反應式： $$ SO_3^{2-}(aq) + H_2O(l)
ightarrow SO_4^{2-}(aq) + 2H^+(aq) + 2e^- $$
其他重要的還原劑包括： 活性金屬，例如鋅 ($$Zn(s)$$)。
你知道嗎？
重鉻酸鹽(VI)離子由橙色變綠色的顏色變化，以前被應用在舊式警用呼氣酒精測試。司機呼氣中的乙醇作為還原劑，將橙色的重鉻酸鹽還原成綠色的鉻(III)。顏色越綠，代表酒精含量越高！
第四節：電化序 (ECS)
我們如何預測一個氧化還原反應會不會發生呢？我們會用到電化序 (Electrochemical Series, ECS)。你可以想像它就像一個氧化還原反應的「聯賽排名榜」一樣，根據不同物質作為氧化劑或還原劑的強度來排列。
在考試中，你通常會得到電化序的一部分。它通常會以還原半反應式的列表形式出現。
如何解讀電化序
• 最強氧化劑位於電化序的左邊，越底部越強。
• 最強還原劑位於電化序的右邊，越頂部越強。
如何預測反應
當一個還原劑（在電化序的右上角）與一個氧化劑（在電化序的左下角）相遇時，就有可能發生自發反應。
例子：讓我們看看電化序的一小部分。
$$ Zn^{2+}(aq) + 2e^-
ightleftharpoons Zn(s) $$
$$ Fe^{2+}(aq) + 2e^-
ightleftharpoons Fe(s) $$
$$ Cu^{2+}(aq) + 2e^-
ightleftharpoons Cu(s) $$
問題： 鋅金屬 ($$Zn(s)$$) 會不會與鐵(II)離子 ($$Fe^{2+}(aq)$$) 反應？
答案：
1. 找出我們潛在的反應物。$$Zn(s)$$ 在右上角（是還原劑）。$$Fe^{2+}(aq)$$ 在左下角（是氧化劑）。
2. 還原劑 ($$Zn$$) 在氧化劑 ($$Fe^{2+}$$) 的上方。反應有可能發生！
3. 反應會是：$$ Zn(s) + Fe^{2+}(aq)
ightarrow Zn^{2+}(aq) + Fe(s) $$。
問題： 銅金屬 ($$Cu(s)$$) 會不會與鋅離子 ($$Zn^{2+}(aq)$$) 反應？
答案：
1. 找出我們的反應物。$$Cu(s)$$ 是還原劑。$$Zn^{2+}(aq)$$ 是氧化劑。
2. 還原劑 ($$Cu$$) 在氧化劑 ($$Zn^{2+}$$) 的下方。反應不會自發發生。什麼都不會發生。
第四節學習重點
電化序是對氧化能力與還原能力的排名。位於右上角的物質（較強的還原劑）可以與位於左下角的物質（較強的氧化劑）發生反應。
第五節：平衡氧化還原反應式——終極技巧
好了，來到重頭戲了！平衡氧化還原反應式看起來可能很複雜，但只要你跟著一套步驟來做，任何反應式都可以搞定！我們會用離子電子半反應式法。
我們來平衡一下酸性溶液中過錳酸鹽(VII)離子與鐵(II)離子之間的反應。
未平衡的反應式：$$ MnO_4^-(aq) + Fe^{2+}(aq) ightarrow Mn^{2+}(aq) + Fe^{3+}(aq) $$
逐步指南（適用於酸性溶液）
步驟1：寫出兩個半反應式。
分辨哪個被氧化，哪個被還原。
還原：$$ MnO_4^-
ightarrow Mn^{2+} $$
氧化：$$ Fe^{2+}
ightarrow Fe^{3+} $$
步驟2：分別平衡每個半反應式。
我們由氧化半反應式開始——它比較簡單！
$$ Fe^{2+}
ightarrow Fe^{3+} $$
a. 原子已經平衡（兩邊都是 1 個 Fe）。
b. 透過加入電子 ($$e^-$$) 來平衡電荷。左邊總電荷是 +2，右邊是 +3。我們需要在右邊加入一個電子。
已平衡的氧化半反應式：$$ Fe^{2+}
ightarrow Fe^{3+} + e^- $$
然後到還原半反應式：
$$ MnO_4^-
ightarrow Mn^{2+} $$
a. 平衡除 O 與 H 以外的原子。（Mn 已經平衡了）。
b. 透過加入 $$H_2O$$ 來平衡氧原子。左邊有 4 個 O，因此在右邊加入 4 個 $$H_2O$$。
$$ MnO_4^-
ightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
c. 透過加入 $$H^+$$ 來平衡氫原子。右邊有 $$4 imes 2 = 8$$ 個 H，因此在左邊加入 8 個 $$H^+$$。
$$ MnO_4^- + 8H^+
ightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
d. 透過加入電子 ($$e^-$$) 來平衡電荷。
- 左邊總電荷：$$(-1) + (+8) = +7$$
- 右邊總電荷：$$(+2) + (0) = +2$$
要由 +7 變成 +2，我們必須加入 5 個負電荷。在左邊加入 5 個 $$e^-$$。
已平衡的還原半反應式：$$ MnO_4^- + 8H^+ + 5e^-
ightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
步驟3：使電子數相等。
氧化半反應式產生 1 個 $$e^-$$。
還原半反應式消耗 5 個 $$e^-$$。
我們需要將氧化半反應式乘以 5，使失去的電子數等於得到的電子數。
$$ 5(Fe^{2+}
ightarrow Fe^{3+} + e^-) $$ 得出 $$ 5Fe^{2+}
ightarrow 5Fe^{3+} + 5e^- $$
步驟4：將兩個半反應式加在一起。
$$ MnO_4^- + 8H^+ + 5e^-
ightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
$$ 5Fe^{2+}
ightarrow 5Fe^{3+} + 5e^- $$
------------------------------------------------------------------
$$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5Fe^{2+}(aq) + 5e^-
ightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) + 5Fe^{3+}(aq) + 5e^- $$
步驟5：抵消兩邊相同的物質。
兩邊的 5$$e^-$$ 抵消了。
步驟6：寫出最終平衡反應式並進行最後檢查！
$$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5Fe^{2+}(aq)
ightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) + 5Fe^{3+}(aq) $$
原子檢查：兩邊都是 1 個 Mn，8 個 H，5 個 Fe，4 個 O。完美！
電荷檢查：左邊 = (-1) + (+8) + 5(+2) = +17。右邊 = (+2) + 0 + 5(+3) = +17。完美！
第五節學習重點
平衡氧化還原反應式是一個有系統的過程。小心跟著步驟來做：拆分半反應式，平衡原子（用 $$H_2O$$ 平衡 O，用 $$H^+$$ 平衡 H），用 $$e^-$$ 平衡電荷，使電子數相等，然後將它們加在一起。熟能生巧！