氧化還原平衡
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(a). 原理：遵守得失電子數相等，電荷相等，原子數不滅等原則. (b). 方法： A.寫出氧化劑還原劑之共軛產物. B.以氧化數平衡：氧化數改變量相等. C.以H+ 或OH- 平衡 ...
氧化还原平衡
58.213.155.174:81/htmlfile/320000/.../015.htm
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体系的氧化还原平衡有两方面的含义：其一，表示体系中电子给体和受体间处于相对平衡状态，电子势位发生无限小变化时，随即发生可逆性的电子迁移；其二，包含在 ...
物質之間的作用
化腐朽為神奇也化神奇為腐朽
最早的化學反應
地球上有92種自然存在的元素。當地球形成之初，這些元素就都存在了。那時的溫度很高，整個地球像個火球。我們馬上會想到，在這種情況下是不是什麼東西都燒起來了?都燒掉了?是的。但是要燒起來，這92種元素中一定要有一部份是被燒掉的，一部分是燒別人的。用化學的術語來說，那些被燒的叫做還原劑，那些燒別人的叫做氧化劑，所謂燃燒實際上就是一種快速的、放熱的氧化還原反應。在反應進行之中，可以說還原劑被氧化劑氧化了，也可以說氧化劑被還原劑還原了，兩者之間的關係是平等的，並沒有主從之別。(圖1)
在熊熊火焰中，我們常說一塊木材「被燒掉」了，而空氣中的氧氣是「助燃」的。這樣說大致上也沒錯，但若嚴謹地講，木材與氧氣之間的關係是平等的，在反應的過程中，氧氣氧化了木材，木材還原了氧氣，反應的結果木材與氧都不見了，生成的是二氧化碳和水。只是因為氧氣看不見，摸不著，被人們直覺地打成了配角而已。 (圖2)
在92種元素中，有的是明顯的氧化劑，例如氧、氯、氟等等；有的是明顯的還原劑，例如各種金屬和碳；也有的立場並不明確，與強氧化劑在一起時它就是還原劑，與強還原劑同在時它就是氧化劑，在地球初形成時的大燃燒中，他們都得選一邊站。但有一些是絕對的中立份子，就是那些惰性氣體：氦、氪、氙、氬、氖、氡。氦是其中的老么，最外層的電子軌道上有2個電子；其餘的，最外層電子軌道上都是8個電子，都沒有起任何反應的需求，當然也不會參與燃燒的反應。
任何可以燃燒的物質，也就是還原劑，被氧化(燃燒)以後都會產生「灰」，也就是這個物質的氧化物，例如氧化鐵、氧化鋁等等。地殼的大部分就是由這些金屬的氧化物構成的，碳燃燒後所產生的灰就是二氧化碳；氫燃燒後所產生的灰就是水。植物的身體大部分是由碳水化合物構成的，主要的成分是碳、氫和氧。為什麼燃燒植物以後會產生一些固體的灰呢?那是因為植物的身體裡面也含有少量的金屬化合物的關係，燃燒之後當然會產生一些金屬氧化物，就是燒柴、燒木炭時爐底的灰了。
前面提到過，在地球初形成時的溫度很高，可以燒的都燒掉了。問題是，燃燒開始前的氧化劑和還原劑不可能正好一樣多。如果還原劑比氧化劑多，那麼，全部的氧化劑都會耗用掉，而剩下多餘的還原劑，反之也是一樣。事實上是，地球初形成時，還原劑比較多，容易燒掉的氫和碳都優先燒光了，燒不完的鐵和鎳，因為很重，都以液體的狀態沉在地心。燒掉了的金屬所生成的灰，也就是金屬的氧化物，比較輕，熔點也比較高，就浮在上面，像煉鋼高爐中的熔渣一樣，就是我們的地殼了。在地殼的上面是水、二氧化碳和不會起化學起化學反應的少量的
惰性氣體，以及不容易起化學反應氮氣。因此，在地球形成之初的大氣中是沒有氧的。(圖3)
化學反應和物理作用
我們可以把一杯水加熱，原來是一杯冷水，加熱後成了一杯熱水，不論冷水、熱水，都是水。再繼續加熱，燒滾了，使水變成了水蒸氣，那只是水的另一種形式，仍然是水。把這杯水放在冷凍庫裡，讓他結成冰，那也是水的又一種形式，也仍然是水。這種形式上的改變，是物理的作用，不是化學變化。化學變化使一種「東西」變成另外一種不同的東西，或是使幾種東西變成完全不同的東西。上面談的氧化還原反應都是最常見的化學反應。(圖4)
氧化和還原
我們開車到加油站加油。加油站附近是禁止吸煙的，而且汽車和摩托車都要先熄火再加油。這表示汽油或汽油的蒸氣雖然易燃、危險但如果不去「點火」。還是不會起火燃燒或爆炸的。既使把汽油和空氣混合後送到汽車的汽缸哩，也是要用火星塞點火才會燃燒或爆炸的。
一些紙張、棉花或一根蠟燭放在空氣中不會自己燒起來，但用火柴點一下，就燒起來了，換句話說就是被空氣中的氧氣氧化了，同時氧氣也被還原了，就像在一場婚禮中，有一位男士娶了一位新娘，同時必定有一位女士嫁了一個新郎。(圖5)
一張紙為什麼必須要用火柴點一下，否則在空氣中很久也不會燒起來呢?紙遇到了空氣中的氧，便有把它還原掉的傾向；空氣中的氧遇到了一張紙，也有把它氧化掉的傾向，就像一位美女遇到一位帥哥時一樣。但是，要這氧化/還原的作用發生，需要克服一個能量的障礙，或是有一個「山頭」需要跨越。這個障礙的大小要視反應的雙方是誰而定，一根火柴提供了紙與氧越過這個障礙所需要的能量，燃燒就開始了，放出更多的能量，也引起更多的燃燒。「星星之火可以燎原」，這就是為什麼一個菸蒂會引發森林大火的原因。(圖6，圖7，圖8)
紙、棉花、蠟燭和木材中的主要成分是碳、氫和氧，與氧氣起了燃燒成氧化/還原反應後，放出了更多的能量，生出的是二氧化碳和水。任何一個「系統」都有把它所擁有的能量降至最低的傾向。高處的水，擁有比較多的「位能」，因此要向低處流；山頂上的大石頭也是一有機會就滾向谷底。燃燒後生成的水和二氧化碳，因為把原來燃料中的「化學能」都放出來了，所以也是在化學上非常舒服、穩定的狀態。
緩慢的氧化/還原
如果把一根燒得紅熱的鐵絲，放進純的氧氣裡面，便會很快地燒了起來，放出很多熱量和很亮的光，生成的是氧化鐵。這是鐵的快速氧化。如果把這根鐵絲放在潮濕的空氣裡或是埋在潮濕的土裡，它也慢慢地被氧化掉，過程中放出來的
熱量和快速氧化時一樣多，但因為是在相當長的時間中慢慢地放出來的，我們感覺不到。(圖9)
動物吃了食物，消化後一部分變成身體中的營養。呼吸作用就是先使空氣中的氧氣溶到血液中，把身體中的營養氧化掉，產生二氧化碳呼出體外，也產生活動所需要的能量。因此，動物的呼吸作用也是一種控制得很好的，緩慢的燃燒。(圖10)
動物和植物的身體，或屍體，會成為其他動物的食物，沒有被吃掉的最後也會腐爛掉。所謂腐爛，實際上是被細菌吃掉了，最終的結果也是成為二氧化碳、水和氮的氧化物等等。因此，腐爛也是一種緩慢的燃燒。腐爛的作用使大自然中的資源得以循環不息。
近年來因為科技的進步，合成各種化學性質非常穩定的，不會腐爛的高分子材料，做成保特瓶、塑膠袋等等，造成了環境的汙染。解決的方向是，合成會腐爛的高分子材料，或稱為生物可降解的高分子材料，和把那些廢棄的保特瓶、塑膠袋等等化為可回收再利用的資源。(圖11)
能不能把燃燒的反應倒轉過來呢?
前面提到過使含碳和氫的材料與空氣中的氧起燃燒作用，可以生成二氧化碳和水；使鐵在氧氣中燃燒可以生成氧化鐵。我們也知道使金屬鋁在氧氣中燃燒可以生成氧化鋁；使金屬鈦與氧反應可以生成二氧化鈦。能不能把這些燃燒反應倒轉過來呢?是可能的，但都不很容易。
這幾個例子最容易做到的就是從氧化鐵來製造金屬鐵了。當初生成氧化鐵的時候，是一個氧化/還原反應，氧把鐵氧化成為氧化鐵，也可以說鐵把氧還原成氧化鐵。在這個氧化/還原反應中，鐵的角色是「還原劑」。我們如果想把鐵從氧化鐵中釋放出來，只要找一種比鐵更厲害的還原劑就可以了。一種夠厲害的還原劑是碳。把碳和氧化鐵在很高的溫度下反應，就會生成鐵(溶化的鐵)和二氧化碳。這就是在煉鋼廠中「高爐」裡的反應。氧化鐵有好幾種，在這裡就不說明了。(圖12)
許多金屬都是根據類似的原則得到的，從氧化鋁中得到了金屬鋁，比生產金屬鐵困難多了，要在高溫下用電解的方法，非常耗電。在約60年前，台灣因為有日月潭等的水力發電廠，而每個家庭中僅有的電器設備只是幾盞20瓦的電燈泡，所以是一個電力充裕的地方，因此在高雄設立了一個電解鍊鋁的地方，後來當然是停掉了。從二氧化鈦製造金屬鈦更是困難。鈦是一種性能優越的金屬，只是價格很貴，原因之一就是製造上的困難。(圖13，鋁電解爐)
把含碳和氫的材料，就是所謂的「碳水化合物」燃燒生成二氧化碳和水時會釋放很多的能量。我們能不能像生成金屬鐵、鋁、鈦那樣，也投入大筆的能量，用水和二氧化碳來生產碳水化合物呢?這太困難了。目前還沒有一個化學的方法能夠逆轉碳水化合物的燃燒反應。那麼，地球表面上有那麼多的植物和動物，她們身體中的最主要成分就是碳水化合物，是從哪裡來的?大家都知道這個問題的
答案：是牠們自己長出來的。
生物化學反應
生命的力量是非常了不起的，許多人力做不到的事，生物都可以輕易地完成。一個最明顯的實例就是光合作用，靠著葉綠素的幫助，所有陸地上的綠色植物和水中的藻類，都在不斷地把水和二氧化碳轉化成植物身體中的碳水化合物，也把太陽能中的一部分轉化為儲存在植物身體中的化學能。(圖14)
大自然中有一個趨勢，就是朝向熱力學平衡的趨勢，或是使一個系統把能量釋放出來，使其擁有的能量降至最低的趨勢，順著這個趨勢的事，都很容易做到；與其相反的事，就非常困難了。(圖15)
例如把山頂上的一塊大石頭視為一個系統，他擁有不少的「位能」。如果滾下到山谷，就把許多位能釋放出來了。這很容易做到。只要輕輕推一下就行了。但想要把那些位能還給大石頭，把它運回山頂上去，就非常費勁了。(圖16)
再例如空氣中的一些木材也可視為一個系統，裡面儲存著不少的化學能。只要一根火柴就可以使木材與空氣燒起來，把其中的化學能都釋放到環境中，並且轉為二氧化碳與水，把所釋放的能量還給這個系統，是人類利用化學或物理的手段所做不到的事，但對植物和藻類來說，卻是「家常便飯」的事。
我們再看一下前面的圖16，把山頂的一個大石頭推下山去或是使空氣中的一些木材燒起來是很容易做到的事，因為所需要克服的能量障礙是這圖中的a，很小，並不難做到。但是把山谷中的大石頭運回山頂，或是把水和二氧化碳轉化為植物的身體，例如木材，是非常困難的事，因為需要克服的能量障礙是圖中的b，比a大得很多。
把山谷中的大石運上山頂雖然非常費勁，但人用機械的方法是做得到的；但是人沒有能力用化學的方法把水和二氧化碳轉化為木材。這時我們就感覺到生命的力量多麼偉大了。光合作用在海洋，在山林、田野裡隨處都在進行中。
在牆縫中的一個榕樹小苗，看起來非常渺小脆弱，但如果任它生長下去，10年、20年後就是一棵大榕樹，把那堵牆都踩在腳下了，小動物出生時都是很脆弱的，但給它一些時間就壯大了。在圖15中，那個向下的箭頭是燃燒、氧化的方向；向上的箭頭是生命的方向，世界上多少大大小小的植物和動物，都沿著這箭頭的方向，努力地向上爬。這兩個方向相反的箭頭，誰是順、誰是逆，誰代表上帝、誰代表魔鬼，就不在我們要討論的範圍之內了。(圖17)
酸鹼的中和
酸就是溶在水中會產生氫離子(H＋)的化合物，例如氯化氫(HCl)是一個強酸，溶在水中後成為氫離子和氯離子(Cl－)。鹼是溶在水中會產生氫氧基離子(OH－)的化合物，例如氫氧化鈉(NaOH)是一個強鹼，溶在水中後會成為氫氧基離子和鈉離子(Na＋)，氫離子和鈉離子是失去了一個電子的原子，因此帶正電荷，就稱為陽離子；氯離子和氫氧基離子因為獲得了一個電子，所以帶負電荷，就稱為陰
離子。(圖18)
把酸的水溶液和鹼的水溶液混在一起的時候，會發生什麼事呢?答案是會發生中和的反應，也就是說，酸的氫離子(H＋)一遇到鹼的氫氧基離子(OH－)，馬上一拍即合，結合成為水分子(HOH或H2O)。水溶液中本來就有很多的水，中和反應生成的水只是使水增加了一點而已。如果酸和鹼的量正好一樣多，那麼，放在一起經過中和反應之後，氫離子和氫氧基離子都不見了，溶液中剩下的就只有原來酸的負離子，例如鹽酸中的氯離子(Cl－)，和原來鹼的正離子，例如氫氧化鈉中的鈉離子(Na＋)，這個溶液就是「鹽」的溶液了，其中的負離子和正離子，例如氯離子和鈉離子，就是鹽的離子。(圖19)
酸有很多種，鹼也有很多種，同量的酸和鹼的溶液混合在一起都會中和而產生水，溶液中剩下的就是鹽的離子。因此，鹽也有許多種。
酸有的「強」，有的「弱」。什麼叫強酸呢?就是溶在水中後全部成為氫離子和酸根離子。例如氯化氫(HCl)，溶在水中後全部成為氫離子(H＋)和氯離子(Cl－)，氫離子濃度很高，因此是很強的酸。例如醋酸、檸檬酸都是弱酸，它們溶在水中以後，大部分仍然是分子的狀態，只有一小部分解離成帶負電荷的醋酸根、檸檬酸根，和帶正電荷的氫離子，因此氫離子的濃度不高。同樣地，強鹼就是溶在水中後會全部解離，產氫氧基離子(OH－)的鹼，例如氫氧化鈉；而弱鹼則是溶在水中後，大部份仍然以分子的狀態存在，解離出來的氫氧基離子不多的鹼，例如氫氧化銨。(圖20)
皮膚若沾了強酸或強鹼的水溶液，會灼傷，是大家都知道的。但醋酸或檸檬酸的稀水溶液是可以吃的；若是被蜜蜂釘了，螞蟻咬了，也可以用氫氧化銨的稀溶液，俗稱銨水，塗在皮膚上，來中和通常都是酸性的毒液。
弱酸之所以叫做弱酸，是因為溶在水中時不會一下子就釋出大量的帶正電荷的氫離子，但所能釋出的氫離子的總量並不少，換句話說，與鹼起中和反應的能力並不弱。同樣地，弱鹼與強鹼也有一樣的與酸起中和反應的能力。不同的是中和後的結果。
如果可以把解離出帶正電荷的氫離子的酸視為男性，把能解離出帶負電荷的氫氧基離子的鹼視為女性。潘金蓮雖然是一個強鹼但也只能嫁一個老公；武大郎雖然是一個弱酸，但也可以娶一個老婆，他們結婚了，強鹼與弱酸產生的鹽難免是帶鹼性的。因此，另外一個強酸，西門慶就有機會乘虛而入。如果潘金蓮嫁的不是武大郎而是強酸武松，強鹼與強酸產生的鹽是中性的，例如氯化鈉，西門慶就沒什麼戲可唱了。(圖21)
鹽的水溶液中，有帶正電荷的陽離子和帶負電荷的陰離子，每個離子都是自由的個體，在水溶液中自由地遊來遊去。水溶液中正電荷與負電荷的總數一定是相等的，因此溶液的整體是不帶電的。這在前面講物質的構造的一章中已經詳細地說明過了。
你知道人的胃酸是什麼嗎?是鹽酸。人的胃裡為什麼要用這麼強的酸呢?是因為用少許的鹽酸就可以產生濃度很高的氫離子，完成胃中的消化任務。這些食物
到達腸中之後只要用少許的鹼就能把其中的鹽酸中和掉。胃酸過多的人，吃胃乳片來中和胃酸。胃乳片的主要成分是氧化鋁，溶在水中後成為氫氧化鋁。氫氧化鋁是非常弱的鹼，弱得連他是鹼還是酸都搞不清楚了。遇到強鹼的時候它就是酸，遇到強酸的時候它就是鹼，把這樣的雙面人吃到胃裡當然不會有什麼危險性。
什麼是pH值?
在買飲料或化妝品時，容器上常註著pH值，這是什麼意思?
前面提到氫離子(H＋)遇到氫氧基離子(OH－)就會結合成水(H2O)，而水分子就不會解離成氫離子和氫氧基離子了。這句話說得差不多是對的，但不完全正確，因為水分子是會解離的，只是解離的非常少。多麼少呢?
在說明之前，先談談「濃度」的摩爾單位。如果一個瘦小的男人與一個重量是他的17倍的胖大女人結婚。這女人雖然胖大，也不能與17個小男人結婚，只能嫁給其中的1個。這是理所當然的事。離子之間的中和反應也是一樣。氫的原子量是1，因此如果每公升裡有1公克的氫離子的話，我們說氫離子的摩爾濃度等於1；對1個氫氧基離子來說，氫的原子量是1，氧的原子量是16，兩個加起來是17，因此，如果每公升裡有17公克的氫氧基離子的話，我們也說他的摩爾濃度是1，不是17。1摩爾的氫離子正好與1摩爾的氫氧基離子起中和反應，就像不管身材多大多小，1個男人只能和1個女人結婚一樣。我們分別用[H＋]和[OH－]做為氫離子和氫氧基離子的摩爾濃度的符號。(圖22)
水分子會解離成氫離子和氫氧基離子，但解離的非常少，多麼少呢?可以用下面的小方程式表示
[H＋] × [OH－] ＝ 10－14
這表示氫離子與氫氧基離子的濃度相乘，永遠等於10－14。這是一個非常小的數目字，是小數點的後面有13個0，第14個才是1。
如果在一個水溶液裡面，[H＋]是10－7，就是1千萬分之1摩爾，那麼[OH－]一定也等於10－7，這樣兩個相乘才等於10－14，在這個水溶液中H＋和OH－的濃度不但都非常的小，而且是相等的，因此是絕對的中性，不酸也不鹼。
如果在一個水溶液中，[H＋]是10－6，就是百萬分之1摩爾，那麼，因為[H＋]與[OH－]相乘之後要等為10－14，所以［OH?］一定是10?8，或是1億分之1摩爾。在這個水溶液中。[H＋]是[OH－]的100倍，所以這水是酸性的。但因為[H＋]和[OH－]分別是10－6和10－8，都非常的小，所以這水溶液的酸性是非常弱的。
如果[H＋]是10－8，[OH－]是10－6，[OH－]是[H＋]的100倍，這水溶液便是鹼性的，但因為[OH－]和[H＋]都很小，所以鹼性也是很弱的。
如果在一個水溶液中 ，氫離子的濃度，[H＋]，是1萬分之1，也就是10－4摩爾，這個濃度就不是很小了，這溶液是明顯的酸性。這時，氫氧基離子的濃度，[OH－]，是10－10摩爾，只有[H＋]的1百萬分之1。
如果[H＋]是10－10，[OH－]是10－4，[OH－]是[H＋]的1百萬倍，[OH－]的濃度不是很小了，這個水溶液就是明顯的鹼性。(圖23)
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現在我們知道，水溶液中氫離子的濃度，[H＋]越高，酸性越大；[H＋]越低，也就是[OH－]越高，鹼性就越大。一個常用的顯示酸鹼度的指標叫做「酸鹼值」或pH值，就是把負號去掉了的[H＋]的10的指數。 氫離子濃度，[H＋]
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10－2
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10－4
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10－6
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10－7
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10－8
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10－10
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10－12
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氫氧基離子濃度，[OH－]
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10－12
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10－10
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10－8
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10－7
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10－6
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10－4
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10－2
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pH值
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2
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4
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6
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7
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8
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10
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12
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酸鹼性
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pH值越小越酸
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中性
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pH值越大越鹼
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