氧化還原反應、化學電池和電解 / 子課題
氧化態與半方程式
Oxidation State and Half-Equations
氧化還原定義、半方程式配平步驟及電化學序應用
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 氧化還原基本概念
考評提示：OIL RIG 定義 + 半方程式配平步驟
- 氧化 (Oxidation)：失去電子 (OIL — Oxidation Is Loss)；還原 (Reduction)：得到電子 (RIG — Reduction Is Gain)。
常見題型 · scoring points
找出化合物中各原子的氧化數
- 規則：單質氧化數 = 0；中性化合物各原子氧化數總和 = 0；多原子離子各原子氧化數總和 = 離子電荷。
- 固定氧化數：Group I 金屬 +1，Group II 金屬 +2；H 通常 +1（金屬氫化物中 −1）；O 通常 −2（過氧化物中 −1、OF₂ 中 +2）。
- 例（KMnO₄）：K = +1，O = −2×4 = −8，故 Mn = +7。
- 例（Cr₂O₇²⁻）：O = −2×7 = −14，總電荷 −2，故 2Cr = +12，單個 Cr = +6。
利用氧化數變化辨認氧化還原反應及氧化劑/還原劑
- 定義：氧化 = 失電子/氧化數上升；還原 = 得電子/氧化數下降。
- 例：Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu——Zn 由 0 升為 +2（氧化，作還原劑）；Cu 由 +2 降為 0（還原，作氧化劑）。
- 氧化劑：本身被還原，使其他物質被氧化（如 MnO₄⁻、Cr₂O₇²⁻、Cl₂、濃 H₂SO₄）。
- 還原劑：本身被氧化，使其他物質被還原（如 Zn、Fe²⁺、I⁻、SO₃²⁻）。
配平半方程式並組合為總氧化還原方程式
- 步驟1：分別寫氧化/還原半反應，平衡主要元素。
- 步驟2：平衡氧用 H₂O，平衡氫用 H⁺（酸性溶液），最後加 e⁻ 平衡電荷。
- 例：MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O（還原）；Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻（氧化）。
- 步驟3：使兩式電子數相同（×5 於 Fe 式），相加消去 e⁻：MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺。
描述酸化 KMnO₄ 與 Fe²⁺(aq) 反應的觀察及結論
- 加入試劑：將少量 FeSO₄(aq) 加入紫色酸化 KMnO₄(aq)。
- 觀察：紫色（KMnO₄）褪為近乎無色（Mn²⁺ 在稀溶液中幾乎無色）。
- 結論：MnO₄⁻ 被還原為 Mn²⁺，Fe²⁺ 被氧化為 Fe³⁺（可進一步用 KSCN 變紅色驗證 Fe³⁺）。
- 陷阱：觀察不可寫成「MnO₄⁻ 變 Mn²⁺」，應只寫顏色（紫色→無色）；並須指明是酸性環境否則會產生棕色 MnO₂ 沉澱。
比較不同濃度 HNO₃ 與銅的氧化還原反應
- 稀 HNO₃（約 2 mol dm⁻³）：3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O；產生無色 NO（遇空氣變棕色 NO₂）。
- 濃 HNO₃（約 16 mol dm⁻³）：Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O；產生棕紅色刺鼻 NO₂。
- 共通觀察：藍色 Cu²⁺(aq) 生成，銅條逐漸溶解；氣體產生劇烈。
- 氧化數分析：Cu 0→+2（失2e⁻）；N 在稀 HNO₃ 由 +5 降至 +2 (NO)，在濃 HNO₃ 由 +5 降至 +4 (NO₂)。
說明濃 H₂SO₄ 與金屬反應的氧化性
- 稀 H₂SO₄：僅作為普通酸，與活性金屬（Zn、Mg）反應產生 H₂。
- 濃 H₂SO₄：強氧化劑，與 Cu 加熱反應：Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O。
- 觀察：藍色 CuSO₄ 生成，放出刺鼻 SO₂（使酸化 K₂Cr₂O₇ 由橙變綠、使濕潤藍石蕊變紅）。
- 氧化數變化：Cu 0→+2；S 於 H₂SO₄ 為 +6 降為 SO₂ 的 +4，證明 H₂SO₄ 中 S 被還原、Cu 被氧化。
解釋電化序與氧化還原可能性的關係
- 電化序：按金屬放電傾向排序（K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Cu > Ag > Au）；越上者還原能力越強、離子氧化能力越弱。
- 規則：上方金屬能取代下方金屬的離子（如 Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu 可行）。
- 反向不可行：Cu + ZnSO₄ → 沒有反應（Cu 不能取代 Zn）。
- 應用：預測置換反應可行性、解釋伽伐尼電池電壓及電解陰極優先放電次序。
寫出氫氧燃料電池的半反應式及總方程式
- 陽極（氧化，燃料端）：2H₂ + 4OH⁻ → 4H₂O + 4e⁻（鹼性電解質）；或 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻（酸性電解質）。
- 陰極（還原，空氣端）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻（鹼性）；或 O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O（酸性）。
- 總反應：2H₂ + O₂ → 2H₂O（唯一副產物是水）。
- 優點：能量效率高、不產 CO₂，副產物水可飲用；缺點：氫氣貯存困難、催化劑昂貴、基建不普及。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
