氧化與還原 (oxidation & reduction)

氧化與還原 (oxidation & reduction)
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

拉瓦節(Lavoisier)是最早提出氧化、還原反應的化學家，他認為氧化反應是指物質與氧元素化合的反應。例如鎂在空氣中燃燒生成氧化鎂(eq 1)，就是鎂被氧化。還原反應是指從氧化物中除去氧元素的反應，例如一氧化碳將氧化鐵還原成鐵元素(eq 2)。
2Mg + O₂ → 2MgO (eq 1)
Fe₂O₃＋ 3CO → 2Fe＋ 3CO₂ (eq 2)

氧化還原反應不一定侷限於結合或失去氧元素的反應。法拉第(Farady)和丹尼爾(Daniel)分別進行電化學實驗時，發現化合物中可以電解出金屬元素，凡化學反應中涉及電子移轉(electron transfer)或氧化數(oxidation number)改變的便是氧化還原反應。失去電子的為氧化反應(eq 3)；獲得電子的為還原反應(eq 4)。氫與硫化合成硫化氫的反應(eq 5)既不牽涉氧元素，又無明顯的電子移轉，因為反應中氧化數改變，也是氧化還原反應。簡單說，元素變成化合物或是化合物變成元素的反應都是氧化還原反應。反應後氧化數增加的是氧化；反應後氧化數減少的是還原。
Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2e^– (eq 3)
Cu²⁺_(aq) + 2e^– → Cu_(s) (eq 4)
H₂ + (1/8)S₈ → H₂S (eq 5)

還原劑(reductant)是能使另一種物質進行還原反應的物質，而還原劑本身失去電子；氧化劑 (oxidant)是能使另一物質進行氧化反應的物質，而其本身本身獲得電子。歸納上面的陳述，氧化還原反應具有下列的特徵：(1)反應中一定有電子轉移或氧化數改變。(2)氧化與還原必定同時發生。(3)在氧化還原反應中氧化劑被還原，還原劑被氧化。(4)氧化劑獲得的電子數等於還原劑失去的電子數，即還原劑所增加的氧化數等於氧化劑減少的氧化數。(5)整個反應過程中反應系仍保持電中性。 常見的氧化劑如：氧氣(O₂)、臭氧(O₃)、氟(F₂)、氯氣(Cl₂)、溴氣(Br₂)、次氯酸(HClO)、 氯酸鉀(KClO₃)、濃硫酸(conc H₂SO₄)[註1]、過氧化氫(雙氧水；H₂O₂)、硝酸(HNO₃)、二鉻酸鉀(K₂Cr₂O₇)及過錳酸鉀(KMnO₄)等。常見的還原劑有：硫代硫酸鈉(Na₂S₂O₃)及草酸(H₂C₂O₄)、焦碳(C)、氫氣(H₂)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO₂)、甲烷(CH₄)等。

【註1】濃硫酸為強氧化劑，而稀硫酸則無氧化力。 在藥物化學或食品化學中，還原劑亦被稱為抗氧化劑(anti-oxidant)，可防止食物氧化或人體細胞 老化。如胡蘿蔔素(β-carotene)、維他命C(抗壞血酸)、維他命E或2,6-二第三丁基-對甲酚(簡稱BHT)等。 「氯系清潔劑」如次氯酸鈉俗稱漂白水(bleach，NaClO)是一種氧化型的漂白劑，外觀為黃綠色的透明液體，具有與氯氣相似的刺激性臭味。其化學性質不安定，常溫下會自然分解而失去氧化活性。 可作爲紙漿、棉麻纖維的漂白劑，因為不會將這類織品的纖維氧化掉；但會氧化羊毛、絲與中的蛋白質分子或尼龍布料，因此不適用於此類織品。漂白水為鹼性，pH值約為9~12，加水稀釋可用於消毒殺菌，譬如醫療器具的消毒。與酸性清潔劑如鹽酸或其他強酸型清潔劑混合使用時會產生有刺激性的氯氣，吸入後可能會引起肺炎、肺水腫或造成呼吸衰竭。如需使用氯系清潔劑，一定要在通風良好的場所，並搭配口罩及手套。常用的「氧系的清潔劑」如雙氧水漂白劑又稱為酸化型漂白劑，因為雙氧水在酸中較能安定的存在，氧系清潔劑發生化學反應後會變成水氣，不會危害人體。

二氧化硫為還原型的漂白劑，常用於漂白動物織品，以前也用於蔬 果的保存。但誤食二氧化硫可能致癌。市面上所販售的金針菇、中藥材、免洗筷等若有殘留過量的二氧化硫，宜注意顏色太白的產品。