氧化数能解决甚么问题？
当你把镁带放入硫酸铜(II)溶液时，会观察到一些奇妙的现象。原本蓝色的溶液逐渐褪色，出现红棕色固体，而镁似乎慢慢消失了。 你可以用镁原子失去电子、铜离子获得电子来解释这个现象。但如果化学方程式变得更复杂呢？ 例如： \[ \ce{2Fe^{2+} + Cl2 -> 2Fe^{3+} + 2Cl^-} \] 哪一种物质失去了电子？哪一种物质获得了电子？你要如何快速判断？ 氧化数提供了一套记录电子转移
当你把镁带放入硫酸铜(II)溶液时，会观察到一些奇妙的现象。原本蓝色的溶液逐渐褪色，出现红棕色固体，而镁似乎慢慢消失了。
你可以用镁原子失去电子、铜离子获得电子来解释这个现象。但如果化学方程式变得更复杂呢？
例如：
\[ \ce{2Fe^2+ + Cl2 -> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \]
哪一种物质失去了电子？哪一种物质获得了电子？你要如何快速判断？
氧化数提供了一套记录电子转移的方法，让你即使面对不容易直接看出电子转移情况的反应，也能追踪电子的变化。氧化数并不能显示分子中每个电子的确切位置，但能帮助你辨认哪些物质被氧化、哪些物质被还原。
01氧化数能解决甚么问题？
想像你正在观察两个人交换物品，但交换过程太快，你看不清楚谁把甚么交给了谁。这时，你可以改为追踪两个人钱包内物品的变化。
氧化数的运作原理也很相似。它用来追踪反应前后，各原子在形式上「拥有电子」的情况。
氧化数增加，通常代表原子失去了电子。
氧化数减少，通常代表原子获得了电子。
在学习正式规则之前，先试著预测：
如果某原子的氧化数由 \(+2\) 变成 \(+3\)，它是获得了电子，还是失去了电子？
答案是失去了电子。由于电子带负电，当原子失去电子时，其氧化数便会变得更正。
如果某原子的氧化数由 \(+3\) 变成 \(+1\)，又代表甚么？
它获得了电子。增加负电荷会使氧化数下降。
由此可以得出一个关键规则：
| 氧化数的变化 | 发生了甚么 | 过程 |
|---|---|---|
| 氧化数增加 | 失去电子 | 氧化 |
| 氧化数减少 | 获得电子 | 还原 |
一个实用的记忆口诀是：
OIL RIG
Oxidation Is Loss（氧化是失去电子）
Reduction Is Gain（还原是获得电子）
这与透过电子转移理解氧化与还原所介绍的概念直接相关。
02建立基本概念：甚么是氧化数？
氧化数是指假设化学键中的所有成键电子都归属于电负度较高的原子时，某原子在形式上所带的电荷。
这个定义听起来有点抽象，所以我们先从简单的例子开始。
在氯化钠中，钠的电负度比氯低。我们可以想像钠把自己的电子完全转移给氯：
\[ \ce{NaCl -> Na+ + Cl^-} \]
因此：
- 钠的氧化数是 \(+1\)
- 氯的氧化数是 \(-1\)
实际结构比这个模型复杂，因为氯化钠具有离子晶格结构，但氧化数仍然是一个实用的模型。
对于共价分子，原子之间并没有真正转移完整的电子。氧化数只是一种假设性的记录方法，让我们能够追踪反应中的变化。
03HSC 化学必须掌握的氧化数规则
大部分题目都可以利用以下几条基本规则解答。
规则 1：单质中原子的氧化数为零
任何纯单质中的原子，其氧化数都是零。
例如：
\[ \ce{O2}, \ce{H2}, \ce{Fe}, \ce{Cl2} \]
这些物质中所有原子的氧化数都是：
\[ 0 \]
规则 2：单原子离子的氧化数等于其电荷
例如：
\[ \mathrm{Na}^{+} = +1 \]
\[ \mathrm{Mg}^{2+} = +2 \]
\[ \mathrm{Cl}^{-} = -1 \]
规则 3：氧的氧化数通常是 \(-2\)
例如：
\[ \ce{H2O} \]
氧的氧化数是 \(-2\)。
\[ 2(+1)+(-2)=0 \]
中性化合物中所有原子的氧化数总和必须等于零。
不过也有例外，例如过氧化物中的氧，其氧化数为 \(-1\)。这些例外通常可以从化学式辨认出来。
规则 4：氢的氧化数通常是 \(+1\)
例如：
\[ \ce{HCl} \]
氢的氧化数是 \(+1\)，氯的氧化数是 \(-1\)。
一个常见例外是金属氢化物，例如 \(\ce{NaH}\)，其中氢的氧化数为 \(-1\)。
规则 5：氧化数的总和等于物质的总电荷
对于中性化合物：
\[ \text{氧化数总和}=0 \]
对于离子：
\[ \text{氧化数总和}=\text{离子的电荷} \]
这条规则是求出未知氧化数的主要方法。
04如何求出未知的氧化数
假设题目要求你找出 \(\mathrm{SO_{4}}^{2-}\) 中硫的氧化数。
不要猜测，而是列出方程式。
硫酸根离子中有一个硫原子。氧的氧化数通常是 \(-2\)，而整个离子的电荷是 \(-2\)。
设硫的氧化数为 \(x\)：
\[ x+4(-2)=-2 \]
\[ x-8=-2 \]
\[ x=+6 \]
因此，硫的氧化数是 \(+6\)。
留意一个重要概念：硫酸根离子中的硫并不是真的带有 \(+6\) 电荷。这只是一个用来追踪电子变化的形式数值。
05详解例题：求出化合物中的氧化数
详解例题：求出 \(\mathrm{NO_{3}}^{-}\) 中氮的氧化数
步骤 1
氧的氧化数通常是 \(-2\)，而硝酸根离子中有三个氧原子。
硝酸根离子的总电荷是 \(-1\)。
步骤 2
\[ x+3(-2)=-1 \]
步骤 3
\[ x-6=-1 \]
\[ x=+5 \]
步骤 4
硝酸根离子中氮的氧化数是 \(+5\)。
这代表氮处于相对较高的氧化态，因为与单质氮相比，在形式上归属于氮的电子较少。
06利用氧化数辨认氧化还原反应
现在，我们可以回到最初的问题：如何找出哪些物质被氧化，哪些物质被还原。
考虑以下反应：
\[ \ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu} \]
首先，找出各元素的氧化数。
反应前：
- 金属锌：\(0\)
- \(\ce{CuSO4}\) 中的铜：\(+2\)
反应后：
- \(\ce{ZnSO4}\) 中的锌：\(+2\)
- 金属铜：\(0\)
锌的氧化数变化：
\[ 0 \rightarrow +2 \]
氧化数增加，因此锌被氧化。
铜的氧化数变化：
\[ +2 \rightarrow 0 \]
氧化数减少，因此铜被还原。
硫酸根离子在反应前后没有改变，因此它是旁观离子。
07详解例题：辨认氧化与还原
详解例题：指出 \(\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}\) 中被氧化和被还原的物质
步骤 1
镁是单质，因此：
\[ \ce{Mg}=0 \]
氧气也是单质：
\[ \ce{O2}=0 \]
步骤 2
在 \(\ce{MgO}\) 中，氧的氧化数通常是 \(-2\)。
由于氧化镁是中性化合物：
\[ \ce{Mg}=+2 \]
步骤 3
镁：
\[ 0\rightarrow +2 \]
氧化数增加，因此镁被氧化。
氧：
\[ 0\rightarrow -2 \]
氧化数减少，因此氧被还原。
步骤 4
镁失去电子，氧获得电子。
我们也可以透过半反应方程式理解这个反应：
\[ \ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-} \]
\[ \ce{O2 + 4e^- -> 2O^2-} \]
两个镁原子提供一个氧分子所需的电子。
08最常见的陷阱：以为反应性较强的元素一定被还原
学生经常会作出以下推测：
「金属会失去电子，所以金属一定会被氧化。」
在简单的置换反应中，例如镁与铜离子的反应，这通常是正确的。但真正的规则并不是「金属等于氧化」。
正确的判断依据是氧化数的变化。
例如：
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
铜离子被还原，因为其氧化数发生以下变化：
\[ +2\rightarrow0 \]
同一种元素在不同反应中，可以被氧化，也可以被还原，取决于它与甚么物质发生反应。
因此，利用氧化数作判断，比单纯背诵反应规律更可靠。
09将氧化数应用于金属反应
比较不同金属反应时，氧化数尤其有用。
例如，在以下反应中：
\[ \ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2} \]
镁的氧化数变化：
\[ 0\rightarrow+2 \]
氢的氧化数变化：
\[ +1\rightarrow0 \]
镁被氧化，而氢离子被还原。
这与金属反应性的概念有关，包括金属与稀酸的反应，以及金属与氧气的反应。
10可靠的考试解题方法
遇到氧化还原反应题目时，可以按照以下步骤：
- 在重要原子的化学符号上方写出其氧化数。
- 比较反应前后的氧化数。
- 找出哪些原子的氧化数增加，哪些减少。
- 氧化数增加 = 被氧化。
- 氧化数减少 = 被还原。
- 检查失去和获得的电子数目是否合理。
这个方法起初可能感觉比较慢，但能帮助你避免常见错误。
11题目与解答
题目 1
对于以下反应：
\[ \ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl} \]
指出被氧化的物质和被还原的物质。
解答 1
钠被氧化，氯被还原。
钠在反应开始时是单质：
\[ \ce{Na}=0 \]
在 \(\ce{NaCl}\) 中，钠的氧化数变为：
\[ \ce{Na}=+1 \]
其氧化数增加，因此钠失去电子并被氧化。
氯在反应开始时是：
\[ \ce{Cl2}=0 \]
在 \(\ce{NaCl}\) 中，氯的氧化数变为：
\[ \mathrm{Cl}^{-}=-1 \]
其氧化数减少，因此氯获得电子并被还原。
一个容易犯的错误是只注意到钠是金属，便直接下结论。正确的判断应该根据氧化数的变化。
题目 2
求出 \(\mathrm{Cr_{2}O_{7}}^{2-}\) 中铬的氧化数。
解答 2
铬的氧化数是 \(+6\)。
氧的氧化数通常是 \(-2\)。设铬的氧化数为 \(x\)。
\[ 2x+7(-2)=-2 \]
\[ 2x-14=-2 \]
\[ 2x=12 \]
\[ x=+6 \]
重铬酸根离子中每个铬原子的氧化数都是 \(+6\)。
关键在于所有原子的氧化数总和必须等于离子的电荷，而不是零，因为 \(\mathrm{Cr_{2}O_{7}}^{2-}\) 是带电离子。
题目 3
在以下反应中：
\[ \ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2} \]
指出甚么物质被氧化，以及甚么物质被还原。
解答 3
一氧化碳被氧化，而氧化铁(III)被还原。
在 \(\ce{Fe2O3}\) 中，氧的氧化数是 \(-2\)：
\[ 2x+3(-2)=0 \]
\[ 2x=6 \]
\[ x=+3 \]
铁的氧化数变化：
\[ +3\rightarrow0 \]
因此铁被还原。
在 \(\ce{CO}\) 中，氧的氧化数是 \(-2\)，所以碳的氧化数必须是：
\[ +2 \]
在 \(\ce{CO2}\) 中，氧的氧化数合计为 \(-4\)，因此碳的氧化数是：
\[ +4 \]
碳的氧化数变化：
\[ +2\rightarrow+4 \]
因此一氧化碳被氧化。
一个常见陷阱是只注意到反应最后生成了金属铁，便以为含铁物质一定被氧化。但氧化数显示的结果正好相反。
题目 4
一名学生声称：
「因为氧的氧化数通常是 \(-2\)，所以在氧化还原反应中，氧永远都是被还原的物质。」
利用以下反应评估这个说法：
\[ \ce{2H2O2 -> 2H2O + O2} \]
解答 4
这个说法并不正确，因为氧可以在同一个反应中同时被氧化和被还原。
在过氧化氢中，氧的氧化数并不是 \(-2\)。设其氧化数为 \(x\)：
\[ 2(+1)+2x=0 \]
\[ 2x=-2 \]
\[ x=-1 \]
在水中：
\[ \ce{O}=-2 \]
氧的氧化数变化：
\[ -1\rightarrow-2 \]
因此，部分氧被还原。
在氧气中：
\[ \ce{O2}=0 \]
氧的氧化数变化：
\[ -1\rightarrow0 \]
因此，部分氧被氧化。
这个反应是一种特殊的氧化还原反应，称为歧化反应（disproportionation），即同一种元素同时被氧化和被还原。
容易犯的错误是直接套用氧的氧化数规则，却没有检查反应物的种类。真正的规则是氧的氧化数「通常」为 \(-2\)，而不是「永远」为 \(-2\)。
题目 5
发生以下反应：
\[ \ce{2FeCl2 + Cl2 -> 2FeCl3} \]
一名学生提出以下论点：
「氯是较强的氧化剂，因为它由 \(\ce{Cl2}\) 变成氯离子，所以它一定获得了电子，并且被氧化。」
判断这个论点是否正确。
解答 5
这个论点并不正确。氯是氧化剂，而且氯本身被还原。
在 \(\ce{Cl2}\) 中：
\[ \ce{Cl}=0 \]
在氯离子中：
\[ \mathrm{Cl}^{-}=-1 \]
氧化数的变化是：
\[ 0\rightarrow-1 \]
氯获得电子，因此氯被还原。
现在检查铁的变化。
在 \(\ce{FeCl2}\) 中，氯的氧化数是 \(-1\)，所以铁的氧化数是：
\[ +2 \]
在 \(\ce{FeCl3}\) 中，铁的氧化数是：
\[ +3 \]
氧化数的变化是：
\[ +2\rightarrow+3 \]
铁失去电子，因此铁被氧化。
这里有一个容易混淆的重点：令另一种物质发生氧化的物质，本身会被还原。氧化剂不会因为使其他物质氧化而被氧化；它会接受电子。
掌握氧化数之后，你不但能够辨认氧化还原反应，还可以进一步利用半反应方程式配平反应，以及预测电化学电池的运作方式。下一步，就是运用这些电子转移的变化，建立并配平完整的氧化还原反应方程式。