1. 「中性」的分子,分子內所有原子的電子正負相吸等於「零」,所以,也就是「所有原子的氧化數」總加起來等於零。
2. 「離子」,分子內所有原子的電子正負相吸之後不等於零;電荷大於零是陽離子,電荷是「一個正數」,所有氧化數相加也是「那個正數」;電荷小於零是陰離子,電荷是「一個負數」,所有氧化數相加也是「那個負數」。
3. 一個分子當中,每個原子的氧化數的總和,等於這個分子的電荷。遵照這個原則,縱使在不大清楚一個分子的鍵結狀況時,我們還是可以用比較法,把其他原子跟特定元素比較一番,來決定每個原子氧化數。
4. 例如,「氧」就是一個比較標準。「氧」的氧化數多半是「-2」。那麼,「中性」的「氧化鉻CrO3」,「鉻」的氧化數是多少?相對於「氧」的總氧化數是-2*3=「–6」,「鉻」的氧化數就是「+6」,因為整個氧化鉻是「中性」的,氧的氧化數和鉻的氧化數相加必須等於「零」。
5. 只要這個化合物,從某種分子轉變成另一種分子的方式,被認定是氧化、還原反應,那麼,化學家就可以用各種刺激物(稱為氧化劑、還原劑)來操控化學反應,達到自己想要的目的。
6. 可以刺激還原反應的物質稱為「還原劑reduction agents」。在各種可刺激「還原反應」的化合物中,「氫」是最值得注意的。
7. 在氧化還原反應中,「氫」會從原本較低的氧化數變為氧化數「+1」。氫,在「氫氣」中的氧化數「0」,在「氫化物hydride」的氧化數「-1」,可以做為還原劑的氫化物有:「氫硼化鈉NaBH4、「鋁氫化鋰LiAlH4」。
8. 要促成「氧化反應」,可透過某些能奪走多餘電子的刺激物質辦到,同時這些刺激物也會因為多得電子而「還原」。能夠促成「氧化反應」的刺激物,稱為「氧化劑oxidation reagents」。
9. 許多氧化劑的組成元素通常包含了「1個過渡金屬」,而這些過渡金屬往往有「2個以上」較為「穩定的氧化態」,像是鉻Cr、錳Mn、銅Cu、鋨Os、鐵Fe。
10. 這些氧化劑使用起來非常方便,因為當它們被還原的時候,顏色也會跟著改變,這樣一來操作實驗的人就能很清楚變化的過程。例如,鉻酸鹽chromate氧化劑,在鉻的狀態時,氧化數是「+6」,顏色是「橘紅色」,被有機分子還原之後,轉變為鉻鹽,氧化數變成「+3」,顏色「綠色」。
11. 錳,當它在高錳酸鉀KMnO4中,以過錳酸根離子「Mn(Ⅶ) 」的狀態存在時,是「紫色」,但是被還原之後,就會變成二氧化錳MnO2,錳離子「Mn(Ⅳ)使得顏色變為「棕色」。(摘錄Marye Anne Fox, James K. Whitesell的《有機化學》)
分析推演:
1. 「氧」的氧化數經常是「-2」,意思是各種元素跟氧結合,除了少數例外,幾乎都會被氧奪走2個電子;這是人類想像出來的。
2. 「氧」的原子量「16」,在所有化學元素中,質量大小排名第8,固然它的陰電性(electron negativity)比較強一些,那也只不過是一個原子引力的一部分而已,面對質量比它大的原子,如果距離非常靠近,不太可能有機會奪取對方的電子。
3. 所有的過渡金屬質量都遠遠大於氧,「鉻Cr」原子量「52」、「錳Mn」的原子量「54.9」、「鐵」的原子量「55.85」、「銅」的原子量「63.55」,它們的質量都是氧的3倍至4倍,如果氧與這些元素結合以後,能夠在靜態中奪走過渡金屬元素的電子,那就違反萬有引力定律了。
4. 小質量的「氧」要奪走質量較大的元素的電子,只有一種可能,就是氧的運動速度極快,因為F=ma,「力」的大小等於「質量」乘以「加速度」。
5. 為什麼氧能夠的運動速度非常快,產生對抗質量比它大的元素?
6. 第一、氧,因為原子核的「質子」正電力,遠大於外圍「電子」與它「半徑」相乘的負電力量,正負極不平衡,產生高速旋轉,使得氧不完全遵守萬有引力定律,而比較遵守「庫倫定律」。這就是氧的「陰電性」。
7. 氧的「轉速、陰電性」,什麼時候比較高?當氧自己的活動空間比較大、其它的原子離它比較遠的時候,所以,氧的陰電性在「氣態」的時候最強,其次是「液態」,氧處在「固態」的時候空間太小,運動受到其它原子的萬有引力挾制。
8. 在氧化物中,只要氧與其他元素的距離固定,就是固態。這個時候,氧的「陰電性」比較難以發揮。
9. 第二、發生氧化還原反應的時候,氧受惠於那些「質量」較大的元素的強大萬有引力,而以「加速度」的方式衝向質量大的元素,這個時候,氧的引力會因為加速度而變大,但是這只是暫時的現象,彼此鍵結之後,呈現一種新的平衡狀態,這種「加速度」就會消失。
10. 所以,就算氧一開始曾經因為「加速度」的關係,從「過渡金屬」身上奪走過電子,等到彼此穩定結合之後,應該會再度失去電子,因為過渡金屬的質量遠大於氧,萬有引力遠大於氧。
11. 如果「氧」的引力真的那麼強,應該可以形成許多「二硫化氧S2O」、甚至「三硫化氧S3O」,事實上,「氧」跟「硫」互相吸引的結果,是變成「二氧化硫SO2」、「三氧化硫SO3」;
12. 如果有質量更大的元素加入三氧化硫,例如「Ba」,原子量137,那麼,還可以變成「四氧化硫(BaSO4)2-」和「鋇Ba2+」結合成一個穩定的分子,可見得「氧」是屬於「被吸引」的原子。
13. 如果我們討論的是氧化還原的「瞬間」,那麼「氧」的氧化數定為「-2」、「氫」的氧化數定為「+1」是對的;如果我們指的是氧化還原反應之後,原子彼此「鍵結的長久靜止」狀態(固態),那麼,「氧」的氧化數就不太可能是「-2」。
14. 在「鍵結」的狀態下,「氧」面對元素符號表第三列以下、質量比自己大的元素,互相拉扯電子時會如何呢?
15. 面對質量比自己大,但是還算不太重的元素,彼此力量五五波,電子應該是在彼此的中間,以共價鍵形式互相鍵結;面對質量更大的元素,那麼氧就不得不失去電子給對方,這是一種極性化學鍵。所以我覺得,「氧」在跟「鐵」鍵結以後,氧化數應該是「+2」。
16. 如果元素在「氧化還原」反應的短暫鍵結之後,受到周遭環境的影響,很快地分開,那麼,分開的「反作用力」與周遭分子「碰撞」,造成的結果就是「氧」恢復它的「動能」,使它的「陰電性」變強,而獲得電子。這就是,錳化合物解離之後,錳離子總是失去電子的原因。
17. 氧化還原理論最大的問題是,人們用液態的現象去解釋一切,相信它們在固態時也是如此;這種情況如同認為,既然騎單車「快速前進」的時候,很容易「保持平衡」,那麼我們「坐在單車上、雙腳不落地,讓車子靜止不動」,應該也很容易平衡,實際上,那非常困難,車子很容易「失去重心倒下去」。
18. 物質,由空間中的質點(原子、分子)組成,固態、液態、氣態代表空間中質點的密度不同。
19. 質點的密度越高,彼此的距離越近,萬有引力的作用越大,質量的因素就更重要,這就是固體的狀態;質點的密度越小,彼此的距離越遠,萬有引力的作用越小,然而,質點的活動空間也變大了,如果質點本身系統有能量不均衡現象,那麼,就可以更自由地轉動,轉動使小質點產生大力量,這就是庫倫定律,也是氣體與液體的狀態。
20. 尼采:人,意志力的力度,決定了自由的強度。意志軟弱者,無權自由,因為他不能要求自己和為事負責,所以只能服從別人、接受命令。
21. 人是自由的動物,因為人類需要與最嚴酷的命運抗爭,才能生存和發展,只有自由的人才有足夠的戰鬥力,才能不斷得勝。
22. 尼采:只有在創造中才有自由。作為創造者,你超越了你自己。唯一的幸福,在於創造。
23. 尼采:追求真實、真理的意志,就是創造的意志。人用他的理智、概念、意志、愛,創造了人自己的世界。
24. 創造者,必定累積許多的求知痛苦,經歷更多的變難,這是勇者的人生。人沒有創造力,文明就不會進步。
25. 創造者,為這世界提出新的評價,定立一個新的標準、新的眼光、新的價值觀、新的認知領域、新的生活環境、新的追求目標、新的世界、新的宇宙觀。例如愛因斯坦的「光電效應」。
26. 尼采:我們只是作為創造者,才能夠破壞。為了更新環境,才需要拆除破舊的建築。
限會員,要發表迴響,請先登入