(一) 氧化還原反應：

A、 狹義：

(1)  物質和氧化合的反應，稱為氧化；物質失去氧的反應，稱為還原。

(2)  物質失去氫的反應，稱為氧化；物質與氫化合的反應，稱為還原。

B、 廣義：

(1)  物質失去電子的反應，稱為氧化；物質獲得電子的反應，稱為還原。

(2)  氧化數增加的反應，稱為氧化；氧化數減少的反應，稱為還原。

C、 實例：

(1)  2Fe₂O₃＋3C→4Fe＋3CO₂ a F₂O₃失去氧，被還原；C得到O，被氧化。

(2)  Zn＋Cu^2＋→Cu＋Zn^2＋ a Zn失去2個電子，被氧化成Zn^2＋；
                       Cu^2＋得到2個電子，被還原Cu。

(3)  C＋O₂→CO₂ a C的氧化數由0→＋4，氧化數增加，C被氧化；O的氧化數由0→－2，氧化數減少，O被還原。

D、 常見不屬於氧化還原的反應：

(1)  離子沉澱反應：NaCl＋AgNO₃→NaNO₃＋AgCl，各元素氧化數不變，不是氧化還原。

(2)  酸鹼中和反應：NaOH＋HCl→NaCl＋H₂O，各元素氧化數不變，不是氧化還原。

E、 元素氧化活性的大小順序表：
鉀＞鈉＞鈣＞鎂＞鋁＞ 碳 ＞鋅＞鉻＞鐵＞錫＞鉛＞ 氫 ＞銅＞汞＞銀＞鉑＞金
K  Na  Ca  Mg  Al  C   Zn  Cr  Fe Sn  Pb   H   Cu  Hg  Ag  Pt  Au

(二) 氧化還原反應：

A、 氧化：活性大的元素，性質活潑，易和氧形成氧化物，性質變得比較安定。
               A ＋ O₂  è AO₂
            不安定         安定

B、 還原：活性小的元素，形成的氧化物性質安定，易和氧脫離，保持元素狀態。
              AO₂  è  A ＋ O₂
            不安定    安定

C、 氧化還原反應：

(1)   活性大的元素取代活性小的元素，使活性小的元素和氧脫離，稱為氧化還原反應。

(2)   此種反應方式必定氧化反應和還原反應同時存在。

(3)   活性小的元素不能取代活性大的元素。

(4)   容易失去電子的元素，容易發生氧化反應；可以還原容易得到電子的元素或是或合物。

(5)   產生氧化反應的物質稱為還原劑；產生還原反應的物質稱為氧化劑。        
【註】：氧化劑被氧化；還原劑被還原。

(6)   若A＞B，則：                A + BOè B + AO
元素活性：A＞B            氧化物的安定性：AO＞BO。
氧化反應：A à AO         還  原  反  應：BOàB。
氧 化 劑：BO              還    原    劑：A。

D、 實例：

(1)  碳粉加入二氧化鉛混合後，以石棉紙包住，在火焰上加熱的實驗中，則：

        反 應 方程式：C＋2PbO₂ à 2Pb ＋ CO₂。

        元素活性大小：C＞Pb         氧化物的活性大小：CO₂＜PbO。

        碳粉的顏色為 黑色；          二氧化鉛粉末的顏色為黃色。

        氧 化  反 應：CàCO₂        還原反應：PbOàPb。

        氧   化   劑：PbO           還 原 劑：C。

(2)  鎂帶在二氧化碳中燃燒，會產生白色的氧化鎂及黑色的碳粒子

       反 應 方 程 式：2Mg＋CO₂àC＋2MgO。
       元素活性的大小：Mg＞C          氧化物活性大小：MgO＜CO₂。

       氧  化  反  應：MgàMgO       還原反應：CO₂àC。

       還    原    劑：Mg              氧 化 劑：CO₂。

       Mg被CO₂氧化成MgO；CO₂被Mg還原成C。

(3)  鎂帶和氧化銅反應產生白色的氧化鎂及赤紅色的金屬銅。

       反 應 方 程 式：Mg＋CuO à Cu＋MgO。
       元素活性的大小：Mg＞Cu    氧化物活性大小：MgO＜CuO。

       氧  化  反  應：MgàMgO  還原反應：CuOàCu。

       還    原    劑：Mg          氧 化 劑：CuO。

       Mg被CuO氧化成MgO；CuO被Mg還原成Cu。

       此反應結束後，氧化銅的顏色由黑色轉變成紅色

(三) 氧化數：

A、 氧化數的用途：

(1)  有些反應不是典型的氧化還原反應，不容易判斷何項物質被氧化，或是被還原。

(2)  氧化數可以了解物質內的各項元素電子得失的變化，藉以判斷是否發生氧化反應或是還原反應。

(3)  元素的氧化數增加，表示該元素失去電子，因此發生氧化反應。
元素的氧化數減少，表示該元素得到電子，因此發生還原反應。
氧化反應所失去的電子數，必等於還原反應所得到的電子數，因此反應中氧化數增加的總和，必等於氧化數減少的總和。(以氧化數平衡方程式係數)

B、 規則：

(1)  元素狀態的物質氧化數為零。
例如：O₂、H₂、N₂、O₃、S₈、P₄、Na、Cu等物質，其氧化數皆為零。

(2)  單原子離子的氧化數，即為該元素所帶的電荷數。
例如：Na^＋、K^＋、H^＋的氧化數皆為＋1；Cl^－、Br^－、I^－的氧化數皆為－1。

(3)  化合物中，氫的氧化數多為＋1，但氫與金屬結合的氫化物，氧化數則為－1。
氧化物中的氧元素，其氧化數多為－2，但過氧化物中的氧元素，其氧化數則為－1。
例如：H₂O中的H的氧化數為＋1，O的氧化數為－2；
      但H₂O₂(過氧化氫)中的H的氧化數為＋1，O的氧化數為－1。

(4)  酸根離子的氧化數，即為該酸根中各元素的氧化數總和。
CO₃^2－表示碳酸根的氧化數為－2，然而O的氧化數為－2，3個O為－6，所以C的氧化數為＋4。
SO₄^2－表示硫酸根的氧化數為－2，然而O的氧化數為－2，4個O為－8，所以S的氧化數為＋6。

(5)  離子化合物溶於水可解離成陽離子與陰離子。
NH₄NO₃可解離成NH₄^＋與NO₃^－，其中：
NH₄^＋的氧化數為＋1，而H為＋1，4個H為＋4，所以N為－3；
NO₃^－的氧化數為－1，而O的氧化數為－2，3個O為－6，所以N的氧化數為＋5。

【例】：下列物質中畫線部分的元素的氧化數為若干？

物質

K₂CrO₄

AgNO₃

CuSO₄

H₂SO₃

NH₄NO₃

氧化數

，

物質

OF₂

NaH

NH₄Cl

NH₃

K₂Cr₂O₇

氧化數

物質

KMnO₄

H₂O₂

(NH₄)₃PO₄

NaClO₃

Fe₂O₃

氧化數

，

C、 日常生活中常見的氧化還原反應：

(1)  光合作用：
植物以H₂O及CO₂為原料，合成葡萄糖的反應。
6CO₂＋6H₂O → C₆H₁₂O₆＋6O₂ 反應式中：
CO₂中C的氧化數為＋4，C₆H₁₂O₆中C的氧化數為0，因此CO₂發生還原反應。
H₂O中O的氧化數為－2，O₂中的氧化數為0，因此H₂O發生氧化反應。
CO₂是氧化劑，H₂O是還原劑。

(2)  呼吸作用：
生物將葡萄糖(C₆H₁₂O₆)分解產生CO₂及H₂O，可視為光合作用的逆反應。
C₆H₁₂O₆＋6O₂ → 6CO₂＋6H₂O
反應式C₆H₁₂O₆→CO₂，其中C氧化數由0 a＋4，為氧化反應，C₆H₁₂O₆為還原劑。
O2的氧化數則由0 a－2，為還原反應，O₂為還原劑。

(3)  水管暢通劑(通樂)：
以NaOH及鋁粉(Al)為原料，加水後進行氧化還原反應。
2NaOH＋2Al＋6H₂O → 2Al(OH)₄^－＋2Na^＋＋3H₂  反應式中：
Al的氧化數為0，Al(OH)₄^－中Al的氧化數為＋3，因此Al被氧化，Al為還原劑。
H₂O中H的氧化數為＋1，H₂中H的氧化數為0，因此H₂O被還原，H₂O為氧化劑。

(4)  雙氧水消毒：
過氧化氫(H₂O₂)遇血液中的Fe^2＋或Fe^3＋離子作催化劑，催化雙氧水的分解反應。
2H₂O₂→2H₂O＋O₂  反應式中：
H₂O₂中O的氧化數為－1，H₂O中O的氧化數為－2，O₂中O的氧化數為0，
因此H₂O₂→H₂O為還原反應，H₂O₂→O₂為氧化反應，
H₂O₂同時為還原劑，也是氧化劑，此反應稱為自身氧化還原反應。

(5)  蘋果削皮後發生氧化反應：
蘋果含大量的Fe^2＋離子，經削皮後，在空氣中遇氧氣會氧化成Fe^3＋離子，形成Fe₂O₃或Fe(OH)₃，因此成黃褐色。

(6)  食物中的抗氧化劑：
體內的化學反應經常會產生對身體有害的活性物質 (未成對電子的化學物質，又稱為自由基)；這些活性物質急需與電子結合成為穩定態，因此具有強大的氧化力。而胡蘿蔔素、維生素C或維生素E等物質在體內能及時提供電子，降低體內自由基對細胞的傷害，因此胡蘿蔔素、維生素C、E等物質作為還原劑，或稱為抗氧化劑。

【題組】硫化菌所進行的反應是屬於氧化還原反應，假設其反應式如下：
       8H₂S＋xO₂＋2CO₂　→　S₈＋2CH₂O＋yH₂O
當一原子的氧化數上升，表示該原子失去或提供電子，若一原子的氧化數下降，表示該原子得到或接受電子。上式中　O　在　O₂　與　S　在　S₈　的氧化數均為　0，而　C　在　CO₂　中的氧化數為＋4，但在　CH₂O　中為　0，一個分子的氧化數總和為　0。試回答下列2題：

(   )1. 下列有關硫化菌所進行的反應，何者正確？　
(A)H₂S　進行還原反應  (B)CO₂　為氧化劑  (C)x　的數值為　4  (D)y　的數值為　4。

(   )2. 針對上述反應式而言，下列哪一選項中的原子，其氧化數在反應前與反應後都相同？　
(A)C  (B)H  (C)O  (D)S。

【答案】：(1)B；   (2)B

【解析】：(1) 8H₂S＋2O₂＋2CO₂　→　S₈＋2CH₂O＋6H₂O 的反應式中：
   S 的氧化數由 －2 a 0 ，因此H₂S　發生氧化反應，生成　S₈。
   方程式的平衡係數 x＝2，y＝6。
(2) 化學反應式中：
    CO₂中 C 的氧化數由 ＋4　a　0，發生還原反應；
    H₂S中　 H 的氧化數由 ＋1　a　＋1，因此氧化數不變。
    O₂ 中的 O 氧化數由 0　a　－2，發生還原反應。
    H₂S 中 S 的氧化數由 －2 a 0，發生氧化反應。

【題組】汽車引擎會排放出　CO₂、CO、NO_x　及碳氫化合物等廢氣，造成空氣汙染。為減低此等廢氣的毒性，可加裝觸媒轉化器。由引擎排出的廢氣在進入大氣之前，先通過觸媒轉化器的第一部分，將　NO　反應成　NH₃；之後再引進空氣與其混合，通過第二部分，觸媒轉化器可使廢氣中的　CO　及未完全燃燒的碳氫化合物在較低的溫度下，反應成　CO₂　及　H₂O，並使氨氣反應成　N₂　及　H₂O，使排出的廢氣中的碳氫化合物下降至　30　ppm、CO　下降至　0.1％。請依敘述，回答下列2題：

(   )1. 觸媒轉化器並未處理下列哪一種氣體？
(A)CO  (B)CO₂  (C)NO  (D)CH₄。

(   )2. 觸媒轉化器的第一部分，將　NO　反應成　NH₃　是屬於哪一種化學反應？
(A)氧化反應  (B)還原反應  (C)酸鹼反應  (D)離子沉澱反應。

【答案】：(1)B；   (2)B

【解析】：觸媒轉化器第一部分將NO→NH₃，其中N的氧化數由＋2a－3，可知發生還原反應。
而第二部分將CO→CO₂，其中C的氧化數由＋2a＋4，可知發生氧化反應。
碳氫化合物CH₄→CO₂，其中C的氧化數由－4a＋4，可知發生氧化反應。
而NH₃→N₂，其中N的氧化數由－3a0，可知NH₃發生氧化反應。
觸媒轉化器的第一部份進行還原反應，第二部分進行氧化反應。
CO₂為觸媒轉化器的產物，不是反應物，因此觸媒轉化器並未處理CO₂氣體。

(   )3. 美國芝加哥大學的研究人員實驗發現，蝦等甲殼類食物含有濃度較高的五價砷化合物。這種物質食入體內，對人體無毒害作用，但是在服用維生素　C　後，經化學反應會使原來無毒的五價砷(即砷酸酐，亦稱五氧化二砷，化學式為　As₂O₅)，轉變為有毒的三價砷(即亞砷酸酐，亦稱三氧化二砷，化學式為　As₂O₃)，這就是俗稱的砒霜。關於此化學反應的敘述，何者正確？　
(A)維生素　C　作氧化劑  (B)維生素　C　被氧化  (C)As₂O₃　被還原  (D)不是氧化還原反應  (E)是一種酸鹼反應。

【答案】：(B)

【解析】：服用維生素C後，　As₂O₅　→　As₂O₃ ，因此五價砷會轉變成三價砷，可知砷被還原，而維生素C則被氧化，因此維生素C為還原劑，又稱為抗氧化劑。
此化學反應中，As₂O₅　被還原成　As₂O₃，As₂O₅ 為氧化劑，此反應為氧化還原反應。

(   )4. 氮化鋁(AlN)具有耐高溫、抗衝擊、導熱性好、……等優良性質，被廣泛應用於電子工業、陶瓷工業等領域。在一定的條件下，氮化鋁可通過如下的反應合成：
Al₂O₃＋N₂＋3C2AlN＋3CO。下列有關此反應的敘述，何者正確？
(A)在氮化鋁的合成反應中，N₂　是還原劑，Al₂O₃　是氧化劑  (B)上述反應中，每生成　2　莫耳　AlN，N₂　就得到　3　莫耳電子  (C)氮化鋁中，氮元素氧化數為－3  (D)氮化鋁晶體屬於分子晶體。

【答案】：(C)

【解析】：(A)此反應中 　Al₂O₃＋N₂＋3C  2AlN＋3CO，其中N₂　被還原(氧化數由 0 a－3)
  因此 N₂　為氧化劑；而 C 則被氧化 (氧化數由 0 a＋2)，C　是還原劑。
(B) 此生成　2　莫耳　AlN　時，需要1莫耳的 N₂，其中N的氧化數由0 a－3，因此1莫耳的N₂ 共獲得 6 莫耳的電子。
(D)AlN→Al^3＋＋N^3－，可知　 Al　N　兩種離子結合成為 AlN 離子晶體。