氧化數、氧化還原劑同半反應平衡

氧化數記錄乜嘢

氧化數係假設不同原子之間嘅每個鍵都完全係離子鍵，並將共用電子指派俾電負性較大嘅原子時，該原子所帶嘅電荷；相同原子之間共用嘅電子則平均分配。呢個係形式上嘅計數，而唔係量度所得嘅電荷。喺水中，氧被指派為 −2，每個氫為 +1，即使真實嘅部分電荷細得多。

氧化係氧化數嘅增加，對應電子嘅失去。還原係氧化數嘅減少，即電子嘅獲得。兩者永遠同時發生，因為一種物種失去嘅電子必須由另一種物種獲得。喺任何氧化還原方程式中，氧化數嘅總增加量等於總減少量，而每種平衡方法都建基於呢個等式。

按優先次序指派氧化數

由清單頂部開始向下應用規則。當兩條規則衝突時，較高嗰條優先，而化學式中最後一個未知原子則透過差值搵出。

對於磷酸二氫根離子 H₂PO₄⁻：2(+1) + P + 4(−2) = −1，所以 P = +5。對於連四硫酸根離子 S₄O₆²⁻：4S + 6(−2) = −2，所以四個硫原子合共 +10，平均為 +2.5。出現分數結果，表示同一種元素嘅原子處於唔同嘅環境，所報告嘅數字係平均值。磁鐵礦 Fe₃O₄ 平均為 +8/3，因為每兩個 Fe³⁺ 就有一個 Fe²⁺。

• 純元素中嘅原子係 0（Fe、O₂、S₈）。
• 單原子離子等於其電荷（Mg²⁺ 係 +2，Br⁻ 係 −1）。
• 化學式中嘅氧化數加起上嚟等於其總電荷。
• 氟喺其所有化合物中都係 −1。
• 化合物中，第 1 族金屬係 +1，第 2 族金屬係 +2。
• 氫同非金屬結合時係 +1，喺好似 NaH 呢類金屬氫化物中係 −1。
• 氧通常係 −2，但喺過氧化物（H₂O₂）中係 −1，喺超氧化物（KO₂）中係 −½，喺 OF₂ 中係 +2。
• 氯、溴同碘通常係 −1，但同氧或者較輕嘅鹵素結合時除外。

指出氧化劑同還原劑

氧化劑接受電子，令其他物質被氧化，所以佢本身被還原。還原劑提供電子，本身被氧化。要指出成個物種，而唔係單一原子。

考慮 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l)。鐵由 +2 升到 +3，所以 Fe²⁺ 被氧化，係還原劑。氧由過氧化物中嘅 −1 降到水中嘅 −2，所以 H₂O₂ 被還原，係氧化劑。氫自始至終保持 +1。兩個鐵離子各失去一個電子，而兩個過氧化物氧原子各獲得一個，所以失去兩個電子，獲得兩個電子。

一種物種可以同時擔當兩個角色。喺 Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O 中，一個氯原子由 0 變成 −1，另一個由 0 變成 +1。呢個係歧化反應，Cl₂ 既係氧化劑，亦係還原劑。

酸性溶液中嘅半反應平衡

將氧化同還原分開，可以讓你各自平衡每個電子轉移，然後將兩個半反應合併，令電子互相抵銷。水提供氧原子，H⁺ 提供氫原子，因為呢啲係酸性水中實際存在嘅物種。

實例 1。喺酸中，重鉻酸根氧化亞硝酸根：Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻。鉻由 +6 變成 +3，氮由 +3 變成 +5。氧化半反應：NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻，兩邊電荷各為 −1。還原半反應：Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O，兩邊電荷各為 +6。六個電子對應兩個鉻原子各改變三個單位。

將氧化半反應乘以 3，令兩個半反應都涉及 6e⁻，然後相加：Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺。從兩邊各約去 6H⁺ 同 3H₂O：Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O。檢查：Cr 2 同 2；N 3 同 3；O 7 + 6 = 13 同 9 + 4 = 13；H 8 同 8；電荷 −2 + 8 − 3 = +3 同 +6 − 3 = +3。

• 將骨架方程式分拆成氧化半反應同還原半反應。
• 平衡除 O 同 H 以外嘅每種元素。
• 透過加入 H₂O 平衡 O，然後透過加入 H⁺ 平衡 H。
• 透過喺較正嗰邊加入電子平衡電荷。
• 縮放半反應令電子相配，將佢哋相加，並約去兩邊都有嘅嘢。
• 檢查原子同電荷，並確認冇電子剩低。

將方法轉換用於鹼性溶液

喺鹼性溶液中，OH⁻ 豐富，而最終方程式唔應該包含 H⁺。先當溶液係酸性咁平衡，然後喺兩邊加入足夠嘅 OH⁻，將每個 H⁺ 變成水。喺兩邊加入相同物種，方程式會保持平衡。

實例 2。喺鹼中，次氯酸根將氫氧化鉻(III)氧化成鉻酸根：Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻。鉻由 +3 變成 +6，氯由 +1 變成 −1。氧化半反應：Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻。還原半反應：ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O。3 同 2 嘅最小公倍數係 6，所以第一個半反應乘以二，第二個乘以三。

相加並約去後得出 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O。喺兩邊加入 4OH⁻；喺右邊，4H⁺ + 4OH⁻ 變成 4H₂O。最終：2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l)。檢查：Cr 2 同 2；Cl 3 同 3；O 6 + 3 + 4 = 13 同 8 + 5 = 13；H 6 + 4 = 10 同 10；兩邊電荷各為 −7。

氧化還原記帳嘅常見錯誤

大部分氧化還原錯誤都係記帳錯誤，每個都有特定嘅檢查。

最後測試，單靠氧化數確認失去嘅電子等於獲得嘅電子。喺實例 2 中，兩個鉻原子各失去 3 個電子（合共 6 個），而三個氯原子各獲得 2 個（同樣係 6 個）。

• 將原子指為氧化還原劑：應該寫 Cr₂O₇²⁻ 係氧化劑，而唔係鉻。
• 只計算每個原子嘅變化，而唔係每個化學式嘅變化：Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ 需要 6 個電子，而唔係 3 個。
• 將電子放喺錯誤嘅一邊：電子喺氧化半反應中係產物，喺還原半反應中係反應物。如果電荷檢查失敗，首先檢查呢度。
• 用 O、O₂ 或 O²⁻ 而唔係 H₂O 平衡氧。游離氧離子喺水中並不存在。
• 喺鹼性溶液嘅答案中留低 H⁺，或者加入 OH⁻ 之後忘記約去水。
• 假設氧永遠係 −2：要檢查有冇過氧化物、超氧化物同 O–F 鍵。
• 混淆記號：氧化數先寫符號（+3）；離子電荷先寫數字（3+）。