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拉瓦節(Lavoisier)是最早提出氧化概念的化學家。在1777年出版的《燃燒概論》和1778年出版的《酸性概論》著作中,他正式闡釋了自己的氧化說。他認為燃燒是物質和空氣中的氧氣反應的結果,同時基於很多燃燒產物的水溶液具有酸性,他得出任何酸中都含有氧的錯誤結論。所以1779年他將空氣中幫助燃燒的一部分命名為oxygen(希臘語:形成酸的)即氧氣,另一部分命名為azote(希臘語:無生命的)即氮氣。我們一般認為,物質與氧的結合反應稱作氧化;反之,若從物質移出氧的反應稱為還原,這是傳統的氧化還原反應概念。

以鎂在空氣中燃燒為例,就是金屬鎂被氧化。
2Mg + O2 → 2MgO (eq 1)

但隨著科學不斷進步演變,氧化還原反應的定義現在已被視為電子轉移(electron transfer)的行為。因此,在廣義的描述上,氧化(oxidation)是指一個分子、原子或離子,因電子的失去或氧的獲得而造成其本身的氧化態(oxidation state)的升高;反之,若因電子的獲得或氧的失去而造成其本身氧化態的降低,稱作還原。例如,金屬鈉與氯氣反應,鈉金屬因失去一個電子而被氧化成鈉離子;氯因得到一個電子而被還原成負一價的氯離子。同理,上述的金屬鎂被氧化反應(eq 1)也可依此概念來說明氧化還原的概念。

然而,並不是所有的氧化還原反應都是如前例,電子在物質間進行完全轉移的行為。因此,有時氧化還原反應該以氧化數(oxidation number)的改變之概念來描述會比較適當且容易理解。氧化數是依物質中元素對電子吸引強弱分配後而定義的數值,用來表示物質在反應中得失電子的程度。

當物質進行氧化還原反應時,A物質失去電子而氧化數增加就是氧化,另一物質B同時也會因得到電子使其氧化數減少,這就是還原。例如焦碳(C)與氧(O2)完全燃燒反應,生成二氧化碳(CO2)的反應(eq 3)。碳原子的氧化數從原本的0價增加到+4價,而氧原子則從0價減少到-2價。另外,金屬與稀酸作用而產生氫氣的反應(eq 4),鋅的氧化數從0價增加成+2價(氧化),氫從正一價減少0價(還原)。

氧化還原反應不是只有發生在實驗室,在我們身上和我們所處的環境中,氧化還原反應不斷的發生。只有了解氧化還原反應,才能窺視自然奧祕的核心。

國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

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