高一下期末化學複習-Ch16
1 Oxidation-reduction reaction (Redox reaction) 氧化還原反應 (Ch 16)
1.1 Redox reaction 氧化還原反應
Oxidation-reduction reaction（氧化還原反應）的物理本質是電子轉移。
- Oxidation: 失去電子的過程，氧化反應
- Reduction: 得到電子的過程，還原反應
- reducing agent: 還原劑，氧化別人自己被還原
- oxidizing agent: 氧化劑，被氧化別人自己被還原
e.g.
$$\ce{C(s) + O_2(g) ->[ignite] CO_2(g)}$$
在這個反應過程中，$C$是reducing agent(還原劑)，$O_2$是oxidizing agent(氧化劑)。$C$被$O_2$氧化(be oxidized)，還原(reduced)$O_2$，失去電子；$O_2$被$C$還原(be reduced)，氧化(oxidized)$C$，得到電子。
1.2 oxidation number: 從單質狀態到當前狀態的過程的電子轉移。
該部分需要做到給任意一個化合物，能夠判斷出其中各個元素的oxidation number；以及給一方程式，能夠判斷oxidation number的變化。
e.g.1
$$ \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_2}$$
$\overset{+4}{C}$說明$C$的oxidation number爲+4，從單質狀態經歷了4次oxidation，$\overset{-2}{O_2}$說明$O$的ocxidation number爲-2，從單質狀態經歷了2次reduction。數值上其實就是“失去電子的個數“（正爲失去，負爲得到）。而整體爲0，是因爲無論是$C$還是$O$都是從單質狀態下變成這個樣子（顯電中性）。
注意要和離子的電荷區分開，離子的電荷是指栗子當前的狀態帶幾單位的正電荷，而oxidation number是指從單質狀態到當前狀態的過程的電子轉移。
e.g.2
$$\overset{+2}{Mg^{2+}} \quad \overset{-1}{Cl^-}$$
$\overset{+2}{Mg}$的$+2$是$Mg$的oxidation number，到目前這個狀態失去了兩單位電子，經歷了兩次oxidation，而${Mg}^{2+}$的$2+$是離子的電荷，是指當前${Mg}^{2+}$這個狀態帶了2單位的正電荷。同理，$\overset{-1}{Cl}$的$-1$是$Cl$的oxidation number，而${Cl}^{-}$的$-$是離子的電荷，是指當前${Cl}^{-}$這個狀態帶了1單位的負電荷。
e.g.3
$$\overset{0}{Zn} \quad \overset{+2}{Zn^{2+}} \quad \overset{+2}{Zn}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4} \quad \overset{+1}{H}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3}(aq) \quad \overset{+1}{K_2}\overset{+6}{Cr_2}\overset{-2}{O_7}(aq)$$
1.3 電子轉移分析及配平（4’*2）
e.g.
- $\ce{\overset{0}{Zn}(s) + \overset{+1}{H}_2SO4(aq) -> \overset{-2}{Zn}SO4(aq) + \overset{0}{H}_2(g)}$
在這個過程中，$Zn$失去兩單位電子，$H$得到一單位電子，但總共有兩個$H$得到電子，故總反應電子守恆。其中，$Zn$被$H_2SO_4$氧化，$H_2SO_4$被$Zn$還原；$H_2SO_4$是氧化劑，$Zn$是還原劑。 - $3\ce{\overset{0}{Cu}(s) + 8H\overset{+5}{N}O3 -> 3\overset{+2}{Cu}(NO3)2(aq) + 2\overset{+2}{N}O(g) +4H2O(l)}$
在這個過程中，3個$Cu$失去兩單位電子，共計失去6單位電子，2個$N$得到三單位電子，共計得到6單位電子，總反應電子守恆。其中，$Cu$被$HNO_3$氧化，$HNO_3$被$Cu$還原；$HNO_3$是氧化劑，$Cu$是還原劑。
需要注意的是，在這個過程中，有一部分N沒有經歷電子轉移。在這個過程中，只有兩個$N$經歷了電子轉移，而另外六個$N$沒有經歷電子轉移，它們的oxidation number沒有變化，仍然是+5。這是因爲$N$在$HNO_3$中的oxidation number就是+5，而在$Cu(NO_3)_2$中的oxidation number也是+5，所以這六個$N$沒有經歷電子轉移。這六個$N$在這個過程中只是在不同的物質中，而沒有經歷電子轉移，它們的oxidation number沒有變化。 - $\ce{\overset{0}{Cl}_2(g) + 2NaOH(aq) -> Na\overset{-1}{Cl}(aq) + Na\overset{+1}(Cl)O(aq) + H2O(l)}$
在這個過程中，一個$Cl$得到一單位電子，另一個$Cl$失去一單位電子，總反應電子守恆。
需要注意的是，在這個過程中，Cl自己和自己發生電子轉移。在特殊情況下，同一物質自己轉移電子這件事情是可能發生的。在這種情況下，$Cl$自己既是oxidizing agent, 也是reducing agent.
1.4 氧化還原反應應用 （化學方程式需要重點關注）
高爐鍊鐵
$$\ce{\overset{+3}{Fe}_2O3(s) + 3\overset{+2}{C}O(g) ->[high temp] 2\overset{0}{Fe}(s) + 3\overset{+4}{CO}_2}(g)$$
$$\ce{C(s) + O2(g)->[ignite] CO2(g)}$$
$$\ce{C(s) + CO2(g) ->[high temp] 2CO(g)}$$
$$\ce{CaCO3 ->[high temp] CaO + CO2}$$
$$\ce{SiO2(s) + CaO(s) ->[high temp] CaSiO3(l)}$$
注：用CO可以讓反應面積增加
$\ce{C(s) + O2(g)->[ignite] CO2(g)}$，$\ce{C(s) + CO2(g) ->[high temp] 2CO(g)}$ 這兩步可以生成$CO$用來還原$Fe$。
$\ce{CaCO3 ->[high temp] CaO + CO2}$，這一步有兩個作用。一方面可以生成$CO_2$，再添加焦炭可以生成$CO$用來還原$Fe$；另一方面，生成的$CaO$可以和$SiO_2$反應，生成$CaSiO_3$，這一步的作用是將鐵礦石中的石頭變成液體方便流出，提高鐵的純度（如果是固體的話，很難講石頭從鐵礦石中弄走）。
注意需要進行區分，以上的前三個化學方程式都是Redox reaction，但是最後一個並不是：
$$\ce{SiO2(s) + CaO(s) ->[high temp] CaSiO3(l)}$$
在這個過程中，$Si$和$O$的oxidation number都沒有發生變化，所以這個過程不是Redox reaction。這個反應是酸性氧化物和鹼性氧化物發生反應，生成鹽（離子化合物，但在高溫狀態下爲液體）。
洗滌劑
$$\ce{Cl2(g) + 2NaOH(aq) -> NaCl(aq) + Na\overset{+1}{Cl}O(aq) + H2O(l)}$$
在這個反應中，$\overset{+1}{Cl}$缺電子，搶別人的電子能力很強（強氧化劑），有很好的殺菌能力，去污效果很好（直接破壞污漬結構）。
金屬的腐蝕與防護
$$\ce{3Fe(s) + 2O2(g) ->[high temp] Fe3O4(s)}$$
通過這個反應，在鐵的表面形成一層緻密的氧化層，稱之爲烤藍。同時，塗一層油漆也是一種很好的防止金屬腐蝕的方法其他方法詳見Ch 1。
化學和生物發光(Luminol)
發亮一定發生電子轉移（電子躍遷）。