自然课本氧化还原反应.docx

1、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

2、铁长期暴露在空气中会产生铁锈2-1氧化反应与活性What can I do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

3、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

4、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，

5、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）4NaO22Na2O氧化钠水氢氧化钠（式2-2）Na2OH2O2 NaOH 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

6、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）2MgO22 MgO氧化镁水氢氧化镁（式2-4）MgOH2OMg(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）2 CuO22 CuO氧化铜水（式2-6）CuOH2O 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

7、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）SO2SO2二氧化硫水亚硫酸（式2-8）SO2H2OH2SO3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）CO2CO2二氧化碳水碳酸（式2-10）CO2H2OH2CO3 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

8、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

9、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）2ZnO2

10、2ZnO氧化锌水氢氧化锌（式2-12）ZnOH2OZn(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

11、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What can I do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

12、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

13、色的碳（式2-13、图2-15）。镁二氧化碳氧化镁碳（式2-13）2MgCO22MgOCt 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

14、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510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

15、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2Mg1CO22MgO1CCO2Mg1PbO2Na1Na2O1Pb4Fe6CuO6Cu2Fe2O33C2Fe2O34Fe3CO23CO2Fe2O34Fe3CO2例题2-3已

16、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。MgOPbOCuOZnONa2OMgPbCuZnNa2-3氧化还原的应用What can I do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

17、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

18、二铁Fe2O3一氧化碳3CO铁2Fe二氧化碳3CO2（式2-17）2C O2 2COFe2O33CO 2Fe3CO22Fe2O33C 4Fe3CO2CaCO3CaO CO2CaOSiO2 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

19、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（C

20、r），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。

21、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

22、，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2 A BO2 2 AO 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 B2 A 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

23、必相伴发生2 A BO2 2 AO 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2CO2 2COFe2O33CO 2Fe3CO22Fe2O33C 4Fe3CO2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

24、煤焦 C灰石 CaCO3熔渣反应CaCO3 CaO CO2CaO 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4NaO22Na2O

25、镁燃烧时间比钠长，有白色强光2Mg+O22MgO铜不易燃烧，表面生成黑色氧化物2Cu+O22CuO硫有蓝紫色火焰S+O2SO2碳发出红光C+O2CO24. 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、SiO25. 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

26、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) 2Fe2O33C4Fe3CO2(2) Fe2O33CO2Fe3CO2（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