一、 氧化反應

(一)定義:

1.狹義的氧化:物質與氧元素化合的反應,稱為氧化反應

廣義的氧化:物質失去電子的反應。

2.氧化反應與還原反應發生在同一化學反應中,亦即同一反應式中有氧化反應必有還原反應發生。

3.鎂金屬點燃後,會與空氣中的氧合化而劇烈燃燒,同時會形成氧化鎂白色固體。 2Mg O2 2MgO 反應式中的鎂元素發生氧化反應,而氧氣則發生還原反應

:鎂金屬燃燒時會發出白色強光,不可直視以免傷害眼睛。

4.氧化活性越大的物質,反應速率越快,單位時間內所釋出的熱能也越多。

(二)生活中的實例:

1.呼吸作用:人類吸進空氣,其中氧氣與體內的葡萄糖氧化,並釋出熱能以供身體所需。

2.鐵器在空氣會緩慢氧化而生鏽,反應過程中會放出熱能。所謂鐵鏽即為氧化鐵,化學式:Fe2O3

3.燃燒是劇烈的氧化反應,為放熱反應,會放出光和熱能

4.焊接金屬時以氬氣噴於金屬焊接部分,可以防止高溫的金屬氧化。此即稱為氬焊

(三)防鏽的方法:

1.電鍍:是防鏽常用的方法,在金屬表面鍍上一層活性小的金屬以隔絕氧氣,可達防鏽的目的。如:鐵器表面鍍鎳。

2.油漆:在鐵器表面刷一層油漆亦可隔絕氧氣。

3.塗油:在易生鏽的金屬表面塗一層石油,以隔絕氧氣。

4.乾燥:因為潮溼的環境中會加速氧化反應,在乾燥的環境中氧化反應速率較為緩慢,故除濕或乾燥亦可防鏽。

5.除氧利用除氧劑(如鐵粉)除去容器中的氧,可使置於容器中的儀器不易生鏽。

二、 還原反應

(一)定義:

1.狹義的還原:化合物質於化學反應時失去氧的反應。

2.廣義的還原:物質於化學反應時獲得電子的反應。

3.例如:電解水的反應,水分子失去氧分解成氫氣和氧氣的過程中,水分子發生還原反應,此為吸熱反應。其反應式為: 2H2O O22H2

(二)工業上的煉鐵法:

1.工業上以「還原法」煉鐵,運用的原理是經由氧化還原反應,將鐵金屬的氧化物置換成金屬元素。

2.煉鐵的原料有灰石、鐵礦、煤焦

3.煉鐵的裝置稱高爐(又稱鼓風爐),是以耐高溫的陶瓷材料築成高度約20公尺的反應爐,(如圖一):

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4.將原料加入受料中,並以熱空氣吹入高爐中,使原料能進行氧化還原反應。

5.煤焦又稱:焦碳在高爐內扮演燃料和還原劑的角色,爐內的高溫提供了氧化鐡還原的所需熱量,使反應得以順利進行。

6.煉鐵的反應是吸熱的化學反應,與鐵元素的氧化反應恰好相反,鐵的生鏽(即鐵金屬的氧化反應是放熱的化學反應

7.高爐內的反應:

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8.高爐煉得的鐵稱為生鐵含碳量極高,質脆而硬度大。因常用於鑄造,故又稱:鑄鐵

9.純鐵(或稱熟鐵)的含碳量低,延展佳而質軟,用途大多在於鍛造,故稱鍛鐵

10.含碳量介於生鐵和熟鐵之間,因兼具兩者的優點故用途較廣。

:生鐵、鋼和熟鐵三者含碳量的比較:  生鐵>鋼>熟鐵

三、 氧化劑與還原劑

(一) 氧化劑:

1.在氧化還原反應中,能夠使其他物質發生還原反應的反應物,稱為氧化劑。

2.氧化劑是含有氧的化合物,且因性質不安定,容易失氧而造成其物質的氧化,故氧化劑在反應中本身發生還原反應。

3.以鎂金屬在二氧化碳氣體中仍可燃燒為例裝置(如圖二)所示,其氧化還原反應式為: 2Mg CO2 2MgO C

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1)反應式中的二氧化碳(CO2)在反應中能夠使鎂金屬Mg)發生氧化反應;生成氧化鎂(MgO),故CO2稱為氧化劑。

2)二氧化碳(CO2)在反應中;本身因失去氧原子,故CO2在反應中發生的是還原反應,亦即氧化劑本身發生還原反應。

4.活性小的元素所形成的氧化物,因氧化物不安定(也可說是活性大的氧化物),可以做為氧化劑。例如:氧化銅、氧化鉛、氧化鐵、氧化鎂四者的活性大小順序為:氧化銅>氧化鉛>氧化鐵>氧化鎂,故做為氧化劑的強弱順序為:氧化銅>氧化鉛>氧化鐵>氧化鎂。

(二)還原劑:

1.在氧化還原反應中,能夠使其他物質發生氧化反應的反應物,稱為還原劑。

2.還原劑大多是活性大的元素,如:第一族或第二族金屬元素,因這些元素與氧化合的活性很強,在反應中會奪取氧化物的氧原子,同時能夠使氧化物發生還原反應,故還原劑本身在反應中發生氧化反應。

3.上述(二)中的例子,鎂金屬在二氧化碳氣體中燃燒時,二氧化碳之所以能發生還原反應,生成黑碳元素

2Mg CO2 2MgO C

因為在反應中鎂元素奪取二氧化碳分子中的氧原子。故鎂元素在反應中扮演還原劑的角色。

4.氧化銅黑色粉末和碳粉混加熱,裝置如圖三所示:

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1氧化銅加碳元素置於試管中加熱,當熱量足夠時見橡皮管口有氣泡產生,此加熱的步驟是因為氧化銅的還原是吸熱反應。

2)以石灰水檢驗反應產生的氣體,則見石灰水呈現白色混濁的反應,代表此氣體是二氧化碳。

3)打開橡皮塞將大試管中的黑色粉末倒出仔細觀察,可發現其中摻雜了紅色的顆粒,此為金屬銅。

4)本觀察的氧化還原反應式為:

5)反應中CuO為氧化劑,使得碳粉氧化並生成CO2CuO本身則發生還原反應並生成金屬銅Cu

6)而碳粉為還原劑,使得氧化銅CuO還原並生成銅元素,碳元素本身則發生氧化反應,同時生成二氧化碳氣體。

5.在本實驗中碳的燃燒不是利用空氣中的氧,因為整個系統並末與空氣接觸,故碳元素是利用CuO化合物中的氧進行反應,這必需是C的活性大於Cu才能發生,又稱為取代反應。

6.實驗完畢後,欲熄滅酒精燈之前,必須先將石灰水移開,才不會因大試管內因溫度降低而使氣體收縮,造成石灰水倒灌入試管中,甚至可能會導致大試管破裂。

四、增加反應速率的方法

1.化學反應速率的快慢與物質本身的化學活性大小有關,亦即活性越大的物質其反應速率越快

2.溫度】愈高,反應速率愈快。(但不成正比)

1所有物質皆由微小粒子所組成,「溫度和熱」的主題中曾經提到,粒子運動的能量愈大則表現出的溫度愈高。

2要發生化學反應之前,反應物的粒子需先具備足夠的能量,然後與其他反應物產生有效的碰撞才能發生化學反應

3所以溫度愈高則粒子能量愈高,發生有效碰撞機率就愈高,所以溫度愈高,反應速率愈快

3.水溶液濃度】愈大,反應愈快。

4.反應物的【接觸面積】愈大,反應速率愈快,且反應速率與接觸面積大小成正比

5.加入【催化劑】可增加反應速率愈快。

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