歡迎來到氧化還原反應！
哈囉！準備好探索其中一種最重要嘅化學反應——氧化還原反應啦！你可能未聽過呢個名，但其實佢哋無處不在，由手機電池提供電力，到蘋果切片後變啡色，再到我哋身體從食物中獲取能量，都係氧化還原反應嘅體現。係咪好重要呢？
喺呢一章，我哋會揭開氧化還原反應嘅神秘面紗。我哋會學習點樣辨識呢啲反應，了解一個特殊嘅「記賬」工具，叫做氧化數，仲會掌握平衡氧化還原方程嘅技巧。就算一開始覺得有啲難都唔使擔心，我哋會一步步拆解㗎！
第一節：乜嘢係氧化同還原？
氧化還原反應其實就係氧化作用同還原作用同時發生嘅反應。佢哋係密不可分㗎！就好似同一個錢幣嘅兩面咁。我哋可以用幾種方法嚟定義佢哋。
1. 經典定義：從氧和氫嘅得失嚟睇
呢個係科學家最初思考氧化還原反應嘅方式。佢簡單易明，適用於好多常見反應。
氧化作用即係得到氧或失去氫。
還原作用即係失去氧或得到氫。
例子：氧化銅(II)同氫嘅反應。
$$ CuO(s) + H_2(g) \rightarrow Cu(s) + H_2O(l) $$
• 氧化銅(II) ($$CuO$$) 失去氧變為銅 ($$Cu$$)。所以，$$CuO$$ 被還原。
• 氫氣 ($$H_2$$) 得到氧變為水 ($$H_2O$$)。所以，$$H_2$$ 被氧化。
2. 現代定義：從電子得失嚟睇 (最重要嘅定義！)
氧化還原反應嘅核心，其實係電子嘅轉移。呢個定義更加全面同強大，因為佢適用於所有氧化還原反應，唔單止係涉及氧或氫嘅反應。
呢度有個超實用嘅記憶法，幫你輕鬆記住：
OIL RIG
Oxidation Is Loss (of electrons) – 氧化係失 (電子)
Reduction Is Gain (of electrons) – 還原係得 (電子)
例子：將鋅片放入硫酸銅(II)溶液。
$$ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) $$
我哋將佢拆解成兩個半方程：
• 氧化半方程： 鋅原子失去兩個電子，變成鋅離子。
$$ Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- $$ (失去電子 = 氧化)
• 還原半方程： 銅(II)離子得到兩個電子，變成銅原子。
$$ Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) $$ (得到電子 = 還原)
變化嘅推手：氧化劑同還原劑
喺氧化還原反應中，有一種物質會導致另一種物質發生變化。我哋稱呢啲為「劑」。
• 氧化劑（或稱氧化物）係一種能令其他物質氧化嘅物質。喺呢個過程中，氧化劑本身會被還原（佢會得到電子）。
• 還原劑（或稱還原物）係一種能令其他物質還原嘅物質。喺呢個過程中，還原劑本身會被氧化（佢會失去電子）。
類比時間到！ 想像一下旅行社嘅職員（旅行代理）。旅行社職員自己唔會去旅行；佢哋係令其他人去旅行。同樣地，還原劑唔係自己被還原；佢係令另一種物質被還原！
喺我哋嘅例子中，$$ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) $$：
- $$Zn$$ 被氧化，所以佢係還原劑。
- $$Cu^{2+}$$ 被還原，所以佢係氧化劑。
第一節學習重點
氧化還原反應嘅重點就係電子嘅轉移。記住OIL RIG：氧化係失（電子），還原係得（電子）。被氧化嘅物質係還原劑，而被還原嘅物質就係氧化劑。
第二節：氧化數——氧化還原反應嘅終極工具
咁，電子轉移喺離子反應中好容易睇到。但係對於共價化合物嘅反應呢？佢哋嘅電子係共用，而唔係完全轉移嘅。為咗解決呢個問題，我哋會用到一個概念，就係氧化數（O.N.），有時亦會稱為氧化態。
氧化數係指一個原子如果佢所有鍵都係百分百離子鍵嘅話，佢所帶嘅假設性電荷。佢係一種追蹤電子位置嘅方法，即使電子係共用緊都得。
點樣指定氧化數：規則
請按順序遵守以下規則。排喺清單越前嘅規則，優先次序越高㗎！
1. 元素狀態下嘅原子： 氧化數為 0。（例如，$$Na$$、$$Cl_2$$、$$O_2$$、$$P_4$$ 嘅氧化數都係 0）
2. 簡單離子： 氧化數等於佢嘅電荷。（例如，喺 $$Na^+$$ 中，Na 嘅氧化數係 +1；喺 $$S^{2-}$$ 中，S 嘅氧化數係 -2）
3. 化合物中嘅第1族同第2族金屬： 第1族永遠係 +1。第2族永遠係 +2。
4. 化合物中嘅氟： 永遠係 -1。
5. 化合物中嘅氫： 幾乎永遠係 +1。（罕有例外係金屬氫化物，例如 $$NaH$$，當中 H 係 -1）。
6. 化合物中嘅氧： 幾乎永遠係 -2。（例外包括過氧化物，例如 $$H_2O_2$$，當中 O 係 -1）。
7. 對於中性化合物： 所有原子嘅氧化數總和必須係 0。
8. 對於多原子離子： 所有原子嘅氧化數總和必須等於該離子嘅電荷。
逐步示範：
例子1：求硫酸 ($$H_2SO_4$$) 中硫 (S) 嘅氧化數。
1. 呢個係一個中性化合物，所以總氧化數必須係 0。（規則7）
2. 我哋知道 H 嘅氧化數係 +1（規則5），O 嘅氧化數係 -2（規則6）。
3. 設 S 嘅氧化數為 'x'。
4. 列出方程：$$ (2 \times H) + (1 \times S) + (4 \times O) = 0 $$
$$ (2 \times (+1)) + (x) + (4 \times (-2)) = 0 $$
$$ +2 + x - 8 = 0 $$
$$ x = +6 $$
所以，硫酸 ($$H_2SO_4$$) 中 S 嘅氧化數係 +6。
例子2：求重鉻酸鹽離子 ($$Cr_2O_7^{2-}$$) 中鉻 (Cr) 嘅氧化數。
1. 呢個係一個帶有 2- 電荷嘅多原子離子，所以總氧化數必須係 -2。（規則8）
2. 我哋知道 O 嘅氧化數係 -2（規則6）。
3. 設 Cr 嘅氧化數為 'y'。有兩個 Cr 原子，所以係 '2y'。
4. 列出方程：$$ (2 \times Cr) + (7 \times O) = -2 $$
$$ (2y) + (7 \times (-2)) = -2 $$
$$ 2y - 14 = -2 $$
$$ 2y = +12 $$
$$ y = +6 $$
所以，重鉻酸鹽離子 ($$Cr_2O_7^{2-}$$) 中每個 Cr 原子嘅氧化數都係 +6。
3. 最終定義：從氧化數嚟睇
利用氧化數，我哋可以得到最全面同普適嘅氧化還原定義：
氧化作用係指氧化數嘅增加。
還原作用係指氧化數嘅減少。
想像一條數線！向右移動（例如：-1 變 0，+2 變 +4）就係氧化。向左移動（例如：0 變 -2，+7 變 +2）就係還原。
第二節學習重點
氧化數係我哋追蹤電子嘅「記賬」工具。記住點樣指定佢哋嘅規則！氧化即係氧化數上升；還原即係氧化數下降。呢個定義適用於所有反應㗎！
第三節：常見嘅氧化劑同還原劑
喺實驗室裡面，你會遇到好多常見嘅化學劑。認識佢哋係乜嘢，同埋有乜作用，係非常有用㗎！
常見氧化劑 (佢哋鍾意得到電子，並被還原！)
試劑： 酸性過錳酸鉀(VII)，$$MnO_4^-(aq)/H^+(aq)$$
變化： 錳原子嘅氧化數由 +7 變為 +2。
顏色變化： 紫色變為無色
半方程： $$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5e^- \rightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) $$
試劑： 酸性重鉻酸鉀(VI)，$$Cr_2O_7^{2-}(aq)/H^+(aq)$$
變化： 鉻原子嘅氧化數由 +6 變為 +3。
顏色變化： 橙色變為綠色
半方程： $$ Cr_2O_7^{2-}(aq) + 14H^+(aq) + 6e^- \rightarrow 2Cr^{3+}(aq) + 7H_2O(l) $$
試劑： 鐵(III)離子，$$Fe^{3+}(aq)$$
變化： 鐵離子嘅氧化數由 +3 變為 +2。
顏色變化： 黃/啡色變為淺綠色
半方程： $$ Fe^{3+}(aq) + e^- \rightarrow Fe^{2+}(aq) $$
其他重要嘅氧化劑包括： 氯氣 ($$Cl_2$$)、硝酸 ($$HNO_3$$) 同濃硫酸 (conc. $$H_2SO_4$$)。
常見還原劑 (佢哋鍾意失去電子，並被氧化！)
試劑： 鐵(II)離子，$$Fe^{2+}(aq)$$
變化： 鐵離子嘅氧化數由 +2 變為 +3。
顏色變化： 淺綠色變為黃/啡色
半方程： $$ Fe^{2+}(aq) \rightarrow Fe^{3+}(aq) + e^- $$
試劑： 碘離子，$$I^-(aq)$$
變化： 碘離子嘅氧化數由 -1 變為 0（喺 $$I_2$$ 中）。
現象： 無色溶液變為啡色。
半方程： $$ 2I^-(aq) \rightarrow I_2(aq) + 2e^- $$
試劑： 亞硫酸鹽離子，$$SO_3^{2-}(aq)$$
變化： 硫原子嘅氧化數由 +4 變為 +6（喺 $$SO_4^{2-}$$ 中）。
半方程： $$ SO_3^{2-}(aq) + H_2O(l) \rightarrow SO_4^{2-}(aq) + 2H^+(aq) + 2e^- $$
其他重要嘅還原劑包括： 活性金屬，例如鋅 ($$Zn(s)$$)。
你知唔知呢？
重鉻酸鹽(VI)離子由橙色變綠色嘅顏色變化，以前被應用喺舊式警用呼氣酒精測試。司機呼氣中嘅乙醇作為還原劑，將橙色嘅重鉻酸鹽還原成綠色嘅鉻(III)。顏色越綠，代表酒精含量越高！
第四節：電化序 (ECS)
我哋點樣預測一個氧化還原反應會唔會發生呢？我哋會用到電化序 (Electrochemical Series, ECS)。你可以想像佢就好似一個氧化還原反應嘅「聯賽排名榜」咁，根據唔同物質作為氧化劑或還原劑嘅強度嚟排列。
喺考試中，你通常會得到電化序嘅一部分。佢通常會以還原半方程嘅列表形式出現。
點樣解讀電化序
• 最強氧化劑位於電化序嘅左邊，越底部越強。
• 最強還原劑位於電化序嘅右邊，越頂部越強。
點樣預測反應
當一個還原劑（喺電化序嘅右上角）同一個氧化劑（喺電化序嘅左下角）相遇時，就有可能發生自發反應。
例子：讓我哋睇睇電化序嘅一小部分。
$$ Zn^{2+}(aq) + 2e^- \rightleftharpoons Zn(s) $$
$$ Fe^{2+}(aq) + 2e^- \rightleftharpoons Fe(s) $$
$$ Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightleftharpoons Cu(s) $$
問題： 鋅金屬 ($$Zn(s)$$) 會唔會同鐵(II)離子 ($$Fe^{2+}(aq)$$) 反應？
答案：
1. 搵出我哋潛在嘅反應物。$$Zn(s)$$ 喺右上角（係還原劑）。$$Fe^{2+}(aq)$$ 喺左下角（係氧化劑）。
2. 還原劑 ($$Zn$$) 喺氧化劑 ($$Fe^{2+}$$) 嘅上方。反應有可能發生！
3. 反應會係：$$ Zn(s) + Fe^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Fe(s) $$。
問題： 銅金屬 ($$Cu(s)$$) 會唔會同鋅離子 ($$Zn^{2+}(aq)$$) 反應？
答案：
1. 搵出我哋嘅反應物。$$Cu(s)$$ 係還原劑。$$Zn^{2+}(aq)$$ 係氧化劑。
2. 還原劑 ($$Cu$$) 喺氧化劑 ($$Zn^{2+}$$) 嘅下方。反應唔會自發發生。咩都唔會發生。
第四節學習重點
電化序係對氧化能力同還原能力嘅排名。位於右上角嘅物質（較強嘅還原劑）可以同位於左下角嘅物質（較強嘅氧化劑）發生反應。
第五節：平衡氧化還原方程——終極技巧
好啦，嚟到重頭戲喇！平衡氧化還原方程睇落可能好複雜，但只要你跟住一套步驟嚟做，任何方程都可以搞掂㗎！我哋會用離子電子半方程法。
我哋嚟平衡一下酸性溶液中過錳酸鹽(VII)離子同鐵(II)離子之間嘅反應。
未平衡嘅方程：$$ MnO_4^-(aq) + Fe^{2+}(aq) \rightarrow Mn^{2+}(aq) + Fe^{3+}(aq) $$
逐步指南（適用於酸性溶液）
步驟1：寫出兩個半方程。
分辨邊個被氧化，邊個被還原。
還原：$$ MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} $$
氧化：$$ Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} $$
步驟2：分別平衡每個半方程。
我哋由氧化半方程開始——佢比較簡單！
$$ Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} $$
a. 原子已經平衡（兩邊都係 1 個 Fe）。
b. 透過加入電子 ($$e^-$$) 嚟平衡電荷。左邊總電荷係 +2，右邊係 +3。我哋需要喺右邊加入一個電子。
已平衡嘅氧化半方程：$$ Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^- $$
然後到還原半方程：
$$ MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} $$
a. 平衡除 O 同 H 以外嘅原子。（Mn 已經平衡咗）。
b. 透過加入 $$H_2O$$ 嚟平衡氧原子。左邊有 4 個 O，所以喺右邊加入 4 個 $$H_2O$$。
$$ MnO_4^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
c. 透過加入 $$H^+$$ 嚟平衡氫原子。右邊有 $$4 \times 2 = 8$$ 個 H，所以喺左邊加入 8 個 $$H^+$$。
$$ MnO_4^- + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
d. 透過加入電子 ($$e^-$$) 嚟平衡電荷。
- 左邊總電荷：$$(-1) + (+8) = +7$$
- 右邊總電荷：$$(+2) + (0) = +2$$
要由 +7 變成 +2，我哋必須加入 5 個負電荷。喺左邊加入 5 個 $$e^-$$。
已平衡嘅還原半方程：$$ MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
步驟3：使電子數相等。
氧化半方程產生 1 個 $$e^-$$。
還原半方程消耗 5 個 $$e^-$$。
我哋需要將氧化半方程乘以 5，令失去嘅電子數等於得到嘅電子數。
$$ 5(Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-) $$ 得出 $$ 5Fe^{2+} \rightarrow 5Fe^{3+} + 5e^- $$
步驟4：將兩個半方程加埋一齊。
$$ MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O $$
$$ 5Fe^{2+} \rightarrow 5Fe^{3+} + 5e^- $$
------------------------------------------------------------------
$$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5Fe^{2+}(aq) + 5e^- \rightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) + 5Fe^{3+}(aq) + 5e^- $$
步驟5：抵消兩邊相同嘅物質。
兩邊嘅 5$$e^-$$ 抵消咗。
步驟6：寫出最終平衡方程並進行最後檢查！
$$ MnO_4^-(aq) + 8H^+(aq) + 5Fe^{2+}(aq) \rightarrow Mn^{2+}(aq) + 4H_2O(l) + 5Fe^{3+}(aq) $$
原子檢查：兩邊都係 1 個 Mn，8 個 H，5 個 Fe，4 個 O。完美！
電荷檢查：左邊 = (-1) + (+8) + 5(+2) = +17。右邊 = (+2) + 0 + 5(+3) = +17。完美！
第五節學習重點
平衡氧化還原方程係一個有系統嘅過程。小心跟住步驟嚟做：拆分半方程，平衡原子（用 $$H_2O$$ 平衡 O，用 $$H^+$$ 平衡 H），用 $$e^-$$ 平衡電荷，使電子數相等，然後將佢哋加埋一齊。熟能生巧！