自然课本-(氧化还原反应)

33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。32～34▼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35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50mL5.蒸馏水50mL6.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■1～■3，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■1～■3，观察并记录实验情形。366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■6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37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382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39一般而言，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。溶於水，呈（酸）性非金屬氧化物不溶於水，呈（中）性金屬溶於水，呈（鹼）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？40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41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422-2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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43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。（得到氧，被氧化）鎂2Mg（還原劑）＋＋→→＋＋二氧化碳CO2（氧化劑）氧化鎂2MgO碳C（式2-14）（失去氧，被還原）图2-16氧化还原反应的示意图44▲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。（得到氧，被氧化）碳C（還原劑）＋＋→→＋＋氧化銅2CuO（氧化劑）二氧化碳CO2銅2Cu（式2-15）（失去氧，被還原）45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2Mg＋1CO2→2MgO＋1CCO2Mg1PbO＋2Na→1Na2O＋1Pb4Fe＋6CuO→6Cu＋2Fe2O33C＋2Fe2O3→4Fe＋3CO23CO＋2Fe2O3→4Fe＋3CO2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。MgOPbOCuOZnONa2OMg＋Pb－CuZnNa462-3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