5-1 氧化數 1 1

5-1 氧化數 在基礎化學(二)的 1-4 氧化還原反應裡，已介 紹過氧化還原的概念。 得到氧或失去氫的反應稱為氧化； 得到氫或失去氧的反應則稱為還原。 廣義的氧化還原反應則為 ⇒物質間電子的得失， 為了解氧化還原反應時，物質間電子得失的 關係，化學家提出氧化數的概念。 2

氧化數 5-1 利用此概念，可說明氧化還原反應中電子轉 移的數目，也可判斷其發生在何種原子上。 氧化數亦可用來平衡氧化還原反應式。 3

氧化數 5-1 5-1.1 氧化數的定義 5-1.2 氧化數的應用 4

氧化數 5-1 學習目標： 了解氧化數的定義。 了解氧化數的應用。 5

氧化數的定義 5-1.1 氧化數（oxidation number）是指在物質中， 假設鍵結電子均指定給所連接的兩鍵結原子 中電負度較大的原子，這樣所求得的電荷數， 就是該原子的氧化數。 例如：HCl 中，H 的電負度小於 Cl， H 的氧化數為＋1， Cl 則為－1。 6

氧化數的定義 5-1.1 氧化數判別的規則如下： 1. 元素態物質的氧化數為 0， 例如：Au、P4、O2、O3中的各原子。 2. 鹼金屬化合物中， 鹼金屬原子的氧化數是＋1， 例如：NaF 中的 Na。 3. 鹼土金屬化合物中， 鹼土金屬原子的氧化數是＋2， 例如：CaO 中的 Ca。 7

氧化數的定義 5-1.1 氧化數判別的規則如下： 4. 鹵素化合物中，F 的氧化數都是 －1， 例如：NF3中的 F。 其餘鹵化物中，除與電負度更大的元素結合， 例如：KClO3 中的 Cl 氧化數是＋5 一般鹵素的氧化數都是－1， 例如：KBr 中的 Br。 5. 多數氫化物中， H 的氧化數是＋1， 例如：HCl、H2SO4、NH3中的 H。 但金屬氫化物中，H 的氧化數則是－1， 例如：LiH、CaH2中的 H。 8

氧化數的定義 5-1.1 氧化數判別的規則如下： 6. 含氧的化合物中，O 的氧化數大多為 －2， 例如： H2O、N2O4、MgO中的 O。 在過氧化物中，O 的氧化數為 －1， 例如：H2O2中的 O； 在超氧化物中，O 的氧化數為 ， 例如：KO2中的 O； 在氟氧化物中， OF2 的 O 氧化數為＋2； O2F2 的 O 氧化數為＋1。 9

氧化數的定義 5-1.1 化合物中，各原子氧化數總和為 0， 例如：K2CrO4 中 離子的氧化數為其電荷數，例如： ＋6 離子的氧化數為其電荷數，例如： Fe2+ 的氧化數為＋2；S2－為－2；Al3+為＋3。 離子團中，各原子的氧化數總和等於其電荷數，例如：CO32－中， O的氧化數為－2， 可求得 C 為 。 ＋4 10

氧化數的定義 5-1.1 週期表中，A 族元素的氧化數最高只能達其族數。 例如：S 屬於 6A 族（第 16 族），所以化合物中 S 的最高氧化數是＋6；故可推知，過硫酸鉀K2S2O8中，S 的氧化數為＋6。 11

範例 5-1 天然磁鐵礦的主要成分是四氧化三鐵（Fe3O4），製成奈米顆粒時，具有永久性的強磁性，對電磁波有強大的吸收效應，可作為隱形飛機的塗料。 在 Fe3O4中，Fe 的平均氧化數為何？ 四氧化三鐵可看作 FeO 和 Fe2O3 的組成，則 Fe 的氧化數分別為何？ 解答 Fe3O4 中，Fe 的平均氧化數為＋ ； 其結構組成為 FeO‧Fe2O3， 其中 FeO 裡 Fe 之氧化數為＋2； Fe2O3 裡的 Fe 之氧化數為＋3。 12 選修化學(上) 12

練習題 5-1 四氧化三鉛（Pb3O4）俗稱鉛丹，常溫時為鮮紅色粉末，與油漆相調和後，可塗在鐵器上防止生鏽。 在 Pb3O4 中，Pb 的平均氧化數為何？ 四氧化三鉛可看作 2PbO 和 PbO2 的組成，則 Pb 的氧化數分別為何？ 解答 Pb3O4 中，Pb 的平均氧化數為＋ ； 其中 PbO 裡的 2 個 Pb 之氧化數為＋2； PbO2 裡的 Pb 之氧化數為＋4。 13 選修化學(上) 13

氧化數的應用 5-1.2 複習基礎化學（二）1-4 氧化還原反應： 氧化數增加，失去電子的半反應稱為 反應； 氧化數增加，失去電子的半反應稱為 反應； 氧化數降低，得到電子的半反應稱為 反應。 還原對方而自身被氧化的物質，稱為 ， 其自身產物的氧化數增加，為 產物； 氧化對方而自身被還原的物質，稱為 ， 其自身產物的氧化數降低，為 產物。 氧化 還原 還原劑 氧化 氧化劑 還原 14

氧化數的應用 5-1.2 以煉鐵廠中三氧化二鐵與一氧化碳反應生成鐵與 二氧化碳為例： 氧化數降低，還原反應 氧化數增加，氧化反應 +3 +2 0 +4 15

氧化數的應用 5-1.2 氧化數增加，氧化反應 氧化數降低，還原反應 自然界的火山爆發會凝華出硫黃， 噴出氫氣及氧氣，並且生成硫化氫與二氧化硫氣體，其反應式為： 氧化數增加，氧化反應 氧化數降低，還原反應 0 0 0 +1－2 +4－2 反應中，被氧化或被還原的原子，不止一種。 硫既是氧化劑，又是還原劑。 16

氧化數的應用 5-1.2 銅離子獲得電子，被還原 鋅失去電子，被氧化 +2 0 0 +2 再以銅離子與鋅反應生成銅原子與鋅離子的關係式為 例： 銅離子獲得電子，被還原 鋅失去電子，被氧化 +2 0 0 +2 上述反應中，銅離子的氧化力比鋅離子強，鋅的還原力比銅強； 同一物質在氧化還原反應前後，如同共軛酸鹼對般，互為氧化還原對（redox couple）。 17

常見的氧化劑及其半反應 氧化數的應用 5-1.2 動-氧化劑 KMnO4 有趣實驗：表演化學詐騙術（Showing Chemical Tricks） 18

氧化數的應用 5-1.2 常見的還原劑及其半反應 19

氧化數的應用 5-1.2 氧化劑與還原劑的強度，除了受自身活性的影 響之外，也與環境的狀況有關。 例如：過錳酸鉀 於酸性溶液中氧化力較強， 於鹼性溶液中氧化力較弱。 20

範例 5-2 依據下列各反應： H2SO3＋I2＋H2O → 2HI＋H2SO4； 2FeCl3＋2HI → 2FeCl2＋2HCl＋I2； 3FeCl2＋4HNO3 → 2FeCl3＋NO＋Fe(NO3)3＋2H2O。 判斷還原劑的強弱順序，何者正確？ HI＞FeCl2＞H2SO3＞NO H2SO3＞HI＞FeCl2＞NO FeCl2＞HI＞H2SO3＞NO NO＞FeCl2＞H2SO3＞HI FeCl2＞H2SO3＞HI＞NO 21 選修化學(上) 21

範例 5-2 解答 所以還原力的強弱：H2SO3＞HI＞FeCl2＞NO 答案：(B) (1) H2SO3＋I2＋H2O → 2HI＋H2SO4； ⇒ H2SO3 還原力 大於 HI。 (2) 2FeCl3＋2HI → 2FeCl2＋2HCl＋I2； ⇒ HI 還原力大於 FeCl2。 (3) 3FeCl2＋4HNO3 → 2FeCl3＋NO＋Fe(NO3)3＋2H2O； ⇒ FeCl2 還原力大於 NO。 所以還原力的強弱：H2SO3＞HI＞FeCl2＞NO 答案：(B) 22 選修化學(上) 22

練習題 5-2 取 a、b、c、d、e 五種金屬，形成離子之價數均為＋2。經實驗得知： (1) b 可溶於鹽酸，而 a、d 則否； (2) a 與 d2＋可發生自發性反應； (3)常溫下，c 可與水反應，而 a、d、e 則否； (4) c2＋與 b 不反應。 請問 a、b、c、d、e 中，最強的還原劑為何？ 23 選修化學(上) 23

練習題 5-2 解答 (1) b 可溶於鹽酸，而 a、d 則否； ⇒ b 還原力大於 H2；a、d 還原力小於 H2。 (3)常溫下，c 可與水反應，而 a、d、e 則否； ⇒ c 還原力大於 H2、a、d、e。 (4) c2＋與 b 不反應。 ⇒ c 還原力大於 b。 所以，最強的還原劑為 c。 24 選修化學(上) 24

學習成果評量 寫出畫線部分的元素之氧化數。 (1) H2O2 (2) NaHSO3 (3) S8 (4) MnO4－ (5) Cr2O72－ 解答：(1) －1 (2) +4 (3) 0 (4) +7 (5) +6 下列各項反應中，何者不是氧化還原反應？ (A) 2Mg + CO2 → 2MgO + C　 (B) P4 + 6Cl2 → 4PCl3　 (C) CH4 + Br2 → CH3Br + HBr　 (D) CaO + SiO2 → CaSiO3 解答：(D) 25 選修化學(上) 25

學習成果評量 指出下列氧化還原反應中， 2MnO4－ + 5HSO3－ + H+ → 2Mn2+ + 5SO42－ + 3H2O (1)哪一物質被氧化？ (2)哪一物質被還原？ (3)哪一物質是氧化劑？ (4)哪一物質是還原劑？ (5)寫出做為還原劑的物質之半反應式。 解答 HSO3－ 被氧化 MnO4－ 被還原 MnO4－ 是氧化劑 HSO3－ 是還原劑 HSO3－ + H2O → SO42－ + 2e－ + 3H+ 26 選修化學(上) 26