自然课本氧化还原反应.docx
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自然课本氧化还原反应
32~
第2章 氧化还原反应
2-1氧化反应与活性
2-2氧化与还原
2-3氧化还原的应用
“翻”转学堂 真的是这样吗?
1.有燃烧的现象才会发生氧化反应?
2.铝常用于制造门窗,是因为它活性小不易生锈?
3.食品中充填氮气,主要是为了防止食品被压坏?
4.物质只要与氧化合生成新物质,就无法再反应回原来的物质?
5.将物质涂上市面的抗氧化剂,就不会再发生氧化反应?
那默的另一个身分是周期表中的氧,他的个性很活泼,喜欢到处交朋友,特别好的朋友有钾、钠和镁,但是也有老死不相往来的人,如金和铂;洛娜其实是周期表中的氦,喜欢单独一个人,不爱交朋友,所以,她的通讯录中完全找不到人可以聊天。
▼图2-2 铁长期暴露在空气中会产生铁锈
2-1氧化反应与活性
WhatcanIdo
娜从工具箱中拿出两根同时期购买的钉子,镀锌的钉子完好如初,纯铁的钉子却已经长满铁锈且一掰就断。
你知道这是什么因素造成,偷工减料、泡到水还是铁钉本身的材质?
▲图2-1 木材在空气中可剧烈燃烧
星空下,木材在空气中燃烧地噼啪作响,熊熊的火焰是炒热晚会的重要功臣(图2-1);年久失修的汽车长期暴露于空气中,表面会出现斑驳的锈蚀(图2-2);但是埃及法老王的黄金面具历经数千年后,依然闪耀着金色光芒(图2-3),难道法老王真的有神祕力量让黄金不受空气影响吗?
让我们来探究其中的科学原理吧!
1金属的氧化
燃烧是物质与空气中的氧气剧烈反应,过程中会伴随光和热的产生;生锈则是物质与氧气缓慢结合的现象;两者皆是物质与氧反应产生氧化物的过程,称为氧化反应。
让我们透过实验2-1来探讨不同金属氧化的情形。
▲图2-3 法老王的金面具在空气中不会被锈蚀
实验2-1金属的氧化
目 的:
根据金属燃烧的难易程度,探讨金属对氧的活性大小,及其氧化物溶于水的酸碱性。
器 材
1.钠粒1小块
2.镁带1小段(约2cm)
实验装置示意图
3.铜箔1小片(约1cm2)
4.1M盐酸50mL
5.蒸馏水50mL
6.酒精灯1个
7.50mL烧杯3个
8.燃烧匙3支
9.玻棒1支
10.刮勺1支
11.砂纸1张
12.250mL洗涤瓶2个
13.红色及蓝色石蕊试纸各1盒
步 骤:
1切一小块钠粒观察新切面的颜色,并置于燃烧匙内,以酒精灯加热,将燃烧情形记录下来。
2以刮勺将生成物倒入装有10mL蒸馏水的烧杯中,用玻棒搅拌均匀,观察其溶解情形。
3利用石蕊试纸检测水溶液的酸碱性。
4取一小段镁带重复步骤
~
,观察并记录实验情形。
镁带燃烧会产生刺眼的强光,应配戴护目镜进行,并避免眼睛注视过久!
5取一小片铜箔,以砂纸磨去表面深色物质后,重复步骤
~
,观察并记录实验情形。
6实验结束后以稀盐酸清洗燃烧匙,并以刮勺除去残留物质,再用蒸馏水洗净,以免燃烧匙上残留物质,影响下次实验结果。
问题与讨论:
1.钠、镁和铜的加热过程中,分别有何现象产生?
2.依据实验的结果,钠、镁和铜燃烧的难易程度依序为何?
3.钠、镁和铜燃烧后的生成物,哪些能溶在水中?
其水溶液的酸碱性为何?
4.为什么步骤
结束后,要先用盐酸清洗燃烧匙,再用蒸馏水洗净?
钠
钠在空气中加热时,很容易起火燃烧,火焰呈黄色(图2-4),产物为氧化钠(式2-1、图2-5);氧化钠易溶于水中,产生氢氧化钠水溶液(式2-2),此水溶液使红色石蕊试纸变蓝色,可知水溶液呈碱性。
钠
+
氧
→
氧化钠
(式2-1)
4Na
+
O2
→
2Na2O
氧化钠
+
水
→
氢氧化钠
(式2-2)
Na2O
+
H2O
→
2NaOH
▲图2-4 钠氧化情形
▲图2-5 氧化钠
镁
镁带加热至燃烧的时间比钠长,燃烧时发出白色强光(图2-6),产物为氧化镁(式2-3、图2-7);氧化镁溶于水中,可产生氢氧化镁水溶液(式2-4),此水溶液也使红色石蕊试纸变蓝色,水溶液呈碱性。
镁
+
氧
→
氧化镁
(式2-3)
2Mg
+
O2
→
2MgO
氧化镁
+
水
→
氢氧化镁
(式2-4)
MgO
+
H2O
→
Mg(OH)2
铜
铜不易燃烧,在加热过程中仅于表面生成一层黑色产物(图2-8),此黑色产物为氧化铜(式2-5、图2-9);氧化铜不溶于水(式2-6),无法使石蕊试纸变色,水溶液呈中性。
铜
+
氧
→
氧化铜
(式2-5)
2Cu
+
O2
→
2CuO
氧化铜
+
水
→
(式2-6)
CuO
+
H2O
→
▲图2-6 镁氧化情形
▲图2-7 氧化镁
▲图2-8 铜氧化情形
▲图2-9 氧化铜
2非金属的氧化
非金属元素也会与氧气作用,发生氧化反应,如硫粉在纯氧中燃烧,火焰呈蓝紫色,产物为具有刺激性臭味的二氧化硫(式2-7、图2-10);二氧化硫可溶于水产生亚硫酸(式2-8),水溶液呈酸性。
硫
+
氧
→
二氧化硫
(式2-7)
S
+
O2
→
SO2
二氧化硫
+
水
→
亚硫酸
(式2-8)
SO2
+
H2O
→
H2SO3
碳粉燃烧时,发出红光;在氧气充足的环境中燃烧,产物为二氧化碳(式2-9);二氧化碳略溶于水产生碳酸(式2-10),水溶液呈酸性。
碳
+
氧
→
二氧化碳
(式2-9)
C
+
O2
→
CO2
二氧化碳
+
水
→
碳酸
(式2-10)
CO2
+
H2O
→
H2CO3
▲图2-10 非金属的氧化情形
一般而言,金属氧化物溶于水呈碱性,可使红色石蕊试纸变蓝色,如氧化钠和氧化镁;而非金属氧化物溶于水则呈酸性,可使蓝色石蕊试纸变红色,如二氧化硫和二氧化碳。
若氧化物不溶于水,则水溶液呈中性,如氧化铜。
随堂笔记
试整理金属与非金属氧化物的特性。
3活性
金属在空气中燃烧的难易程度,代表该金属对氧的活性大小。
愈容易与氧作用的物质,对氧的活性愈大;愈不易与氧作用的物质,对氧的活性愈小。
由实验2-1可知,钠、镁和铜对氧的活性依序为:
钠>镁>铜。
金属对氧的活性各有不同,钠、钾等碱金属对氧的活性大,在水中也会发生激烈的反应,故须储存在矿物油中。
白金(铂)和黄金对氧的活性小,能长期保存而不氧化,是传家宝常用的材料。
想想看
博物馆内收藏很多秦汉时代的铜器,却很少见到较晚期的宋朝铁器,这是甚么原因呢?
示范实验
锌粉的燃烧
1.把半刮勺锌粉置于燃烧匙内,以酒精灯加热;当锌粉开始燃烧后,移开燃烧匙并熄灭火源(图a)。
2.锌粉停止燃烧后,用探针将表层挑开,观察锌粉是否再度起火燃烧(图b)。
铁、镁和铜等金属,若长时间暴露在空气中,会逐渐氧化锈蚀。
但是,锌、铝等金属对氧的活性比铁大,却常被镀在铁的表面,这是什么原因呢?
让我们藉由示范实验探究其原由。
a以酒精灯加热锌粉
b停止燃烧后,用探针挑开表层
锌
示范实验中,锌燃烧时火焰呈黄绿色(图2-11),产物为氧化锌(式2-11);将燃烧中的锌移离火源后不久,便停止燃烧,此时若用探针挑开表层,内部高温的锌又可继续起火燃烧(图2-12)。
氧化锌难溶于水,与水反应产生极少量的氢氧化锌(式2-12),其水溶液不能使石蕊试纸变色。
锌
+
氧
→
氧化锌
(式2-11)
2Zn
+
O2
→
2ZnO
氧化锌
+
水
→
氢氧化锌
(式2-12)
ZnO
+
H2O
→
Zn(OH)2
▲图2-11 锌氧化情形
▲图2-12 氧化锌及内部正在燃烧的锌
相对于铁锈疏松易碎,氧化铝和氧化锌质地致密,不易锈蚀;因此许多金属制品的表面都会镀上一层薄薄的锌或铝,利用其氧化物的特性,保护里层的金属不被氧化而生锈(图2-13、2-14)。
非金属的活性也有差异,活泼的非金属容易与其他物质作用,例如:
常温下,食物容易与氧发生作用,却不容易与氮气反应,所以食品包装中常充氮保鲜。
而高温下,氧气容易与氮气反应产生氮氧化物,却完全不与钝气发生反应。
因此,三者的活性大小依序为:
氧>氮>钝气。
补充资料
物质对氧的活性
元素对氧的活性大小顺序为:
钾>钠>钙>镁>铝>碳>锌>铁>锡>铅>氢>铜>汞>银>铂>金。
活性大的元素容易氧化,形成的氧化物较安定;活性小的元素所形成之氧化物较不安定,容易分解成元素,例如:
氧化铝的性质安定,而氧化汞经加热后,易分解成汞和氧。
例题2-1
下列哪一种现象与金属对氧的活性大小有关?
(A)代代相传的传家宝大多以黄金为材料
(B)氧化钠溶于水中,使石蕊试纸呈蓝色
(C)水可以通过滤纸,细砂则无法通过
(D)铜常用来制成电线
▲图2-13 铁常在表面镀一层锌,以减缓氧化
▼图2-14 门窗的外框也常镀上铝或锌,以减缓氧化
2-2氧化与还原
WhatcanIdo
沙滩上,那默将仙女棒排成心型,真诚的向洛娜告白,可是洛娜以学业为重,于是利用二氧化碳灭火器回绝。
你认为最后结果会如何,仙女棒被扑灭还是继续燃烧?
含有镁粉的仙女棒和木材在空气中燃烧,同样属于氧化反应,那么镁燃烧所产生的剧烈火花,是否也像木材燃烧一样,可以被二氧化碳扑灭呢?
让我们动手做实验来一探究竟。
示范实验
镁带与二氧化碳的反应
1.利用稀盐酸和碳酸钙粉末制备二氧化碳,并以排水集气法收集备用。
2.将镁带点燃后,放入装有二氧化碳的广口瓶中,观察瓶中所产生的变化。
3.待镁带火焰熄灭、冷却后,观察广口瓶中的产物。
1氧化还原反应
由示范实验中可以发现,点燃的镁带放入二氧化碳中,依然继续燃烧,这是因为镁对氧的活性,比碳对氧的活性大,因此可取代二氧化碳中的碳,与氧结合生成白色的氧化镁,而二氧化碳因为失去氧,故还原成黑色的碳(式2-13、图2-15)。
镁
+
二氧化碳
→
氧化镁
+
碳
(式2-13)
2Mg
+
CO2
→
2MgO
+
C
t图2-15 镁带在二氧化碳中可以继续燃烧,黑色的碳因而被取代出来
物质与氧结合的反应,称为氧化反应;相反的,氧化物失去氧的反应,称为还原反应;氧化与还原必定同时相伴发生,这种涉及氧的得失之化学反应,称为氧化还原反应,例如:
镁与二氧化碳的反应中,镁发生氧化,二氧化碳发生还原,两者同时发生(图2-16)。
2氧化剂与还原剂
氧化还原反应中,本身发生氧化的物质,具有还原另一物质的能力,称为还原剂;相反的,本身发生还原的物质,具有氧化另一物质的能力,称为氧化剂,例如:
镁与二氧化碳的反应中,镁使二氧化碳还原,所以镁为还原剂;而二氧化碳使镁氧化,因此二氧化碳是氧化剂(式2-14)。
接下来,让我们透过示范实验探讨活性与氧化还原反应的关系。
t图2-16 氧化还原反应的示意图
▲图2-17 黑色的氧化铜还原成红色的铜
3活性与氧化还原
示范实验
活性与氧化还原反应
1.把足量的碳粉与氧化铜混合均匀后,倒入试管中,观察外观颜色。
2.将试管置于瓦斯喷灯上加热5~10分钟。
加热时,若试管口的水珠流至底部,易造成试管破裂。
3.待试管冷却后,将试管内物质倒入蒸发皿,并以放大镜观察。
4.将等重的碳粉与氧化钙混合后,再进行一次实验。
碳粉与氧化铜粉末都是黑色,混合加热后,产生二氧化碳与红色的铜(式2-15、图2-17),表示碳的活性大于铜,容易与氧结合,将铜还原出来;碳与氧化钙加热,则没有发生化学反应,表示碳的活性小于钙。
由此可知,碳、铜和钙对氧的活性大小依序为钙>碳>铜。
碳与氧化铜的反应也属于氧化还原反应,碳氧化成二氧化碳,使氧化铜还原成铜,所以碳为还原剂;氧化铜还原成铜,使碳氧化成二氧化碳,所以氧化铜为氧化剂。
例题2-2
翰翰将下列不同的物质与氧化物混合加热,皆会进行氧化还原反应,试平衡这些化学反应式,并整理出其中的氧化剂与还原剂。
氧化还原反应
氧化剂
还原剂
2
Mg
+
1
CO2
→
2
MgO
+
1
C
CO2
Mg
1
PbO
+
2
Na
→
1
Na2O
+
1
Pb
4
Fe
+
6
CuO
→
6
Cu
+
2
Fe2O3
3
C
+
2
Fe2O3
→
4
Fe
+
3
CO2
3
CO
+
2
Fe2O3
→
4
Fe
+
3
CO2
例题2-3
已知元素对氧的活性大小为钠>镁>锌>铅>铜,将五种金属与其他金属氧化物混合加热反应。
请将发生氧化还原反应的结果填入下表中,+表示会发生,-则表示不会发生。
MgO
PbO
CuO
ZnO
Na2O
Mg
+
Pb
-
Cu
Zn
Na
2-3氧化还原的应用
WhatcanIdo
那默是个专业打铁匠,依照铁的不同特性,打造出一把把的刀,并且在市集中设摊销售,假设你是一位侠客,会买哪把神兵利器,生铁、熟铁还是不锈钢刀?
为什么?
▲图2-18 由矿石中提炼出来的铜可以制成铜币
1金属的冶炼
自然界中的金属容易发生氧化,多以化合物的形式存在矿石中,聪明的人类就借用氧化还原的原理,从金属矿中提炼出金属(图2-18),此提炼过程就称为冶炼。
由于碳在高温时对氧的活性比铁、铅和铜等金属大,而且价格低廉,所以常作为还原剂,把氧化物中的金属还原出来。
接下来,以工业炼铁为例,说明其中的氧化还原反应(图2-19)。
工业炼铁是在高炉里将含氧的铁矿以煤焦还原,需要铁矿、煤焦、热空气及灰石四种原料。
在高炉中,热空气使煤焦(C)燃烧产生高温并生成一氧化碳(CO),煤焦与一氧化碳均可作为还原剂,使三氧化二铁还原成铁(式2-16、2-17)。
而由灰石分解所产生的氧化钙,可与铁矿中的杂质形成熔渣,其密度比铁小,浮在液态铁浆的表面,可避免刚产生的铁在高温环境再度氧化。
此外,熔渣还可当作水泥的材料。
三氧化二铁
2Fe2O3
+
+
煤焦
3C
→
→
铁
4Fe
+
+
二氧化碳
3CO2
(式2-16)
三氧化二铁
Fe2O3
+
+
一氧化碳
3CO
→
→
铁
2Fe
+
+
二氧化碳
3CO2
(式2-17)
2C+O2→2CO
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
2Fe2O3+3C→4Fe+3CO2
CaCO3CaO+CO2
CaO+SiO2→CaSiO3
(熔渣)
出渣口:
熔渣(密度小)
出铁口:
生铁(密度大)
氧化剂:
铁矿(含Fe2O3)
还原剂:
煤焦(含C)
灰石(含CaCO3)
热空气
▲图2-19 钢铁工业的高炉炼铁示意图
想想看
高炉炼铁反应中,还原剂是什么物质?
高炉中氧化还原反应
高炉中熔渣生成反应
原料
现代钢铁工业的高炉炼铁示意图
补充资料
马口铁
马口铁是指两面皆镀有锡的钢片,具有防锈、耐腐蚀、无毒等特性,现今主要用来制作罐头。
马口铁(SPTE)的正式名称应为镀锡钢片,由于第一批钢片是自澳门(Macau)进口,而当时澳门音译“马口”,故以此地命名。
▲图2-20 钢铁中的含铁量与含碳量
▲图2-23 钢铁是桥梁的主要建材(摄于澳洲雪梨)
高炉炼成的生铁,含碳量较高(图2-20),性质硬而脆,适合铸造,又称铸铁,常铸造成铁管等器具(图2-21)。
将生铁中所含的碳及其他杂质减量或消除,便成为熟铁,熟铁是纯度较高的铁,富有延展性,适合高温锻接(图2-22),又称为锻铁,如常见的铁丝。
钢铁的含碳量介在生铁与熟铁之间,兼具高强度、高韧性等优点,既宜铸造又宜锻接,可作为房屋及桥梁等建材(图2-23)。
钢铁可与其他金属组成具有特别性质的特殊钢,例如:
不锈钢是在钢中添加铬(Cr),美观又耐腐蚀,常用于制造烹饪器具(图2-24);有些不锈钢还会添加镍(Ni),质量更优。
▲图2-21 生铁制成的铁管
▲图2-22 熟铁适合高温锻接
▲图2-24 不锈钢厨具美观又耐用
2生活中的氧化还原
氯气、臭氧和次氯酸钠是常见的氧化剂,容易使其他物质发生氧化作用。
自来水及游泳池常采用氯气来消毒,来消灭水中的病原体;而臭氧的性质比氧气活泼,能于短时间内将空气中的细菌消灭,达到净化空气的目的。
次氯酸钠(NaClO或NaOCl)溶液则常作为清洁医院病房或器具的一种杀菌剂(图2-25),也用作纸张或棉花的漂白剂。
二氧化硫则是一种还原剂,常用于漂白动物织品原料、竹筷和蔬果,若食品中残留过量,恐有致癌之虞。
因此市面上相关商品的颜色若是太白,则需小心其表面可能残留过量的二氧化硫。
此外,胡萝卜素、维生素C和维生素E等常见的食物添加物,可减缓食物和氧气作用而变质,称为抗氧化剂(图2-26)。
生物赖以生存的呼吸作用与光合作用,皆涉及氧的得失,也是属于氧化还原反应,凡此种种,都说明了氧化还原反应和人类生活有十分密切的关系。
▲图2-25 稀释后的漂白水可用来杀菌消毒
▲图2-26 食品添加维生素E,可延长保存期限
例题2-4
那默在这章学会了氧化还原反应与氧化剂、还原剂在生活中的应用,下列何种物质在反应中扮演还原剂的角色?
(A)氯气,消毒自来水的病菌
(B)煤焦,工业炼铁
(C)二氧化锰,利用双氧水制备氧气
(D)二氧化碳,镁带与二氧化碳的反应
氧化还原反应
氧化反应
物质的氧化
物质与氧作用,同时产生氧化物。
物质的氧化
2A +BO2→2AO+B
氧化反应时常见的现象
物质与氧结合。
氧化反应
氧化与还原反应
燃烧
生锈
金属与非金属氧化
活性
对氧活性愈大的物质愈容易与氧作用。
活性大
小
反应快
慢
钾>钠>钙>镁>铝>碳>锌>铁>铜>银>金
金属
燃烧情况
氧化物
溶于水酸碱性
Na
黄色火焰
白色
Na2O
碱性
Mg
白色强光
白色
MgO
碱性
Cu
无火焰
黑色
CuO
不溶于水
非
金属
燃烧情况
氧化物
溶于水酸碱性
S
蓝色火焰
臭味
SO2
酸性
C
红黄色光
无色
CO2
弱酸碱性
物质失去氧。
还原反应
活性:
A>B
2A +CO→不反应
活性:
C>A
由氧化反应是否发生,
判断物质活性大小。
氧化物与活性
氧化还原反应必相伴发生
2A+BO2→2AO+B
(还原剂)(氧化剂)
得到氧,氧化
失去氧,还原
氧化剂:
活性小的元素之氧化物常为氧化剂
还原剂:
活性大的元素常为还原剂
氧化剂
还原剂
本身
还原
氧化
使另一物
氧化
还原
金属的冶炼
氧化与还原反应
利用氧化还原反应,从金属矿(氧化物)中,提炼出金属元素。
金属的冶炼
高炉炼铁示意图
铁的衍生物
主要氧化还原反应
2C+O2→2CO
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
2Fe2O3+3C→4Fe+3CO2
种类
含碳量
性质
用途
生铁
高
脆而硬,适合铸造。
铸铁烤炉
钢铁
中
1.兼具生、熟铁特性。
2.加铬成为不锈钢。
钢杯
熟铁
低
柔软富延展性,适合锻接。
铁丝
出渣口:
熔渣(密度小)
金属的冶炼
氧化还原应用
铁矿Fe2O3
煤焦C
灰石CaCO3
熔渣反应
CaCO3CaO+CO2
CaO+SiO2→CaSiO3
∆
出铁口:
生铁(密度大)
生活中氧化还原
光合作用与呼吸作用皆为氧化还原反应。
器具清洁剂
漂白剂
漂白剂:
用于漂白、消毒的氧化剂,
例如:
氯气、臭氧、次氯酸钠。
用于漂白织品的还原剂,
例如:
二氧化硫。
抗氧化剂:
减缓食物和氧气作用而变质,
例如:
胡萝卜素、维生素C、E。
重点整理
2-1氧化反应与活性
1.物质与氧化合的反应,称为氧化反应,如燃烧与生锈。
2.氧化反应后生成含氧的化合物,称为氧化物,如二氧化碳、氧化镁和三氧化二铁。
3.钠、镁、铜、硫、碳等元素的氧化反应︰
元素
氧化现象
氧化反应
钠
易燃烧,有黄色火焰
4Na+O2→2Na2O
镁
燃烧时间比钠长,有白色强光
2Mg+O2→2MgO
铜
不易燃烧,表面生成黑色氧化物
2Cu+O2→2CuO
硫
有蓝紫色火焰
S+O2→SO2
碳
发出红光
C+O2→CO2
4.金属氧化物与非金属氧化物的性质:
金属氧化物
非金属氧化物
例如:
Na2O、MgO
例如:
SO2、CO2
水溶液呈碱性
水溶液呈酸性
氧化物若不溶于水,则呈中性,如CuO、SiO2
5.物质在空气中燃烧的难易程度,代表对氧的活性大小,依序为:
钾>钠>钙>镁>铝>碳>锌>铁>锡>铅>氢>铜>汞>银>铂>金
6.铝、锌的氧化物,质地致密,所以常镀在其他金属制品的表面,以减缓氧化。
2-2氧化与还原
1.氧化物失去氧的反应,称为还原反应。
2.涉及氧的得失之化学反应,称为氧化还原反应,氧化与还原必相互伴随发生。
3.氧化剂与还原剂的性质︰
氧化剂
本身发生还原的物质,并具有氧化另一物质的能力
还原剂
本身发生氧化的物质,并具有还原另一物质的能力
4.对氧活性大的元素能将对氧活性小的元素,从其氧化物中置换出来,如镁与二氧化碳反应。
2-3氧化还原的应用
1.从金属矿提炼金属的过程,称为冶炼,其原理是利用还原剂把金属氧化物中的金属还原出来。
2.高炉炼铁主要是利用煤焦(C)与一氧化碳当还原剂,将三氧化二铁还原成铁。
(1)2Fe2O3 + 3C →4Fe+3CO2
(2)Fe2O3 + 3CO →2Fe+3CO2
(氧化剂)(还原剂)
3.铁中的含碳量会影响铁的特性。
种类
含碳量
性质
生铁
高↓低
脆而硬,适合铸造
钢铁
1.兼具生铁与熟铁的特性
2.添加铬,便成为不锈钢
熟铁
柔软富延展性,适合锻接
4.食品中常添加抗氧化剂,如维生素E,以减缓食物氧化腐败。
5.呼吸作用与光合作用皆为氧