大考中心／蕭次融、吳國良 撰
化學反應在高中化學是很重要的內容，依照現行的課綱，化學反應可大略分成：酸鹼反應、沉澱反應與氧化還原反應。其中，多數學生認為氧化還原反應較為困難，尤其是有機化合物的氧化與還原反應。因此本篇特就此舉例加以說明。
一、氧化還原反應的定義
就廣義氧化還原反應而言，是指物質間電子的得失。在課堂上，通常教師會教學生氧化或還原反應的準則有二：
1. 電子的轉移
失去電子為氧化：Fe→Fe2++2e–
獲得電子為還原：Fe3++e–→Fe2+
2. 氧化數的增減
氧化數增加為氧化：Fe0→Fe2++2+2e–
氧化數減少為還原：Fe3++3+e–→Fe2++2
反應式中元素符號的頂上，例如Fe+3或Fe+2表示該元素的氧化數，而在元素符號的右上角，例如Fe3+或Fe2+表示該元素分別帶有3個正電荷或2個正電荷的離子。
因此筆者要說明嚴正的用語，例如
Fe元素符號頂上的 +2是指氧化數，而元素符號右上角的2+ 是指電荷數為2+ ，也就是說Fe是帶有2個正電荷的離子。電荷有＋與－，其數目可以數：1個、2個等等，例如3+ 為3個正電荷，3- 為3個負電荷，可以問某離子帶有「多少」個電荷，但不能問某離子帶有「多大」電荷。因為電荷的大小是固定的，每一個電荷（e）是固定的，為1.602×10–19庫侖。因此表示正電荷的＋或－要寫在數字之後，例如 3+或 3-，分別表示3個正電荷或3個負電荷，正如同寫3x或2y，表示3個x或2個y。相反地，氧化數是一個量度，由小到大，因此氧化數可以問「多大」或氧化數「多高」。元素的氧化數可以由 -7經0到 +7。總之，電荷要問多少個或幾個，而氧化數要問大小或高低，或氧化數為幾？因此 +3與3+ 意義不同。
無機化合物中各元素的氧化數，每一版本的教科書都有詳細的說明，甚至列表，在此不贅述。
至於有機化合物中碳元素的氧化數，教科書上較少說明。其實，要數一數有機化合物中碳的氧化數相當簡單，因為有機化合物中的原子結合大多為共價鍵，可以用兩個原子之間電負度的差異，來描述原子對共價鍵的電子對之相對吸引力，也就是說氧化數的正或負。電負度是指化學鍵中，原子對於共用電子對之相對吸引力，故比較鍵結兩端的原子電負度，就可以計算其氧化數，因為鍵結的電子，約定都屬於電負度較大的原子（見參考資料1）。例如：在水分子中的O−H鍵結，其中O與H的電負度，氧為3.5與氫為2.1，可見氧的電負度比較大，因此氧的氧化數為 -1，而氫為 +1。如此可說在H2O中氧的氧化數為 -2，而氫為 +1，亦即H+1─O–2─H+1。在有機化合物中，最主要的元素為碳，其次為氫、氧、氮等無機元素。其中，碳的電負度為2.5，氮的電負度為3.0。比較各原子間電負度大小，依序為氧、氮、碳、氫。因此要知道有機化合物中，碳的氧化數，比較鍵結兩端原子的電負度，電負度較大的氧化數為－，電負度較小的為＋，如此就可決定在化合物中各原子的氧化數。例如：H−C中H的電負度2.1，比C的電負度2.5為小，因此H−C中C的氧化數為 -1，而C−O中C的氧化數為 +1，C=O中C的氧化數就要算為 +2。如此算法，在乙烷與乙醇中最主要的碳，亦即官能基中碳原子的氧化數就分別為 -3與 -1，其數法說明如下：
為了說明方便，在結構式中的兩個碳，分別以a與b作區別。在乙烷中的兩個碳相連，其電負度相同，故這個鍵，亦即單就C−C的鍵結而言，每個碳的氧化數均為零，而每一個碳均連有三個氫，因此乙烷中碳的氧化數均為 -3。同樣推理，乙醇中的兩個碳，結構式左邊的Cx與三個氫相連故其氧化數為 -3，但Cy與兩個氫相連的氧化數為 -2，而另以單鍵與氧相連，其氧化數為 +1，因為碳比氧的電負度較小，故其氧化數為 +1，因此Cy的氧化數為(-2)+(+1)=-1。因乙醇中有2個碳，故通常會以兩個碳原子的平均氧化數來表示，碳的平均氧化數為(–3)+(–1)2=–2，如此可推算有機化合物官能基中碳的氧化數如表1。
由表1可知，由乙醇變為乙醛的化學變化：
碳的氧化數由乙醇中碳的平均氧化數為 -2，乙醛中碳的平均氧化數為 -1，氧化數增加為氧化反應。相反地由乙醛變為乙醇的化學變化，就為還原反應。
二、試題舉例
最後以今年（105學年度）的指考試題為例，說明有機化合物的氧化還原反應。試題內容如下：
茲就該題組中各題的分析彙整如表2。可見該題組不難（請見表中的答對率，P），全體考生的答對率，分別為83%、62%、69%，其中第3題，高分組考生的答對率（Ph）99%，幾乎全對，但第5題是有關氧化還原反應的試題，高分組答對96%，至於低分組的答對率（Pl）則只有39%。尤其讓從事化學教育者擔憂的是，部分考生不知道氧化反應的逆反應為還原反應。以第5題為例，過程②為氧化反應，而過程③為過程②的逆反應，就應該是還原反應。以下由第5題的選項分析（表3）可看出其端倪。
| 表2 題組3-5題的答對率及鑑別指數 |
| 題號 |
答對率（%） |
鑑別指數 |
| P |
Ph |
Pl |
D |
| 3 |
83 |
99 |
61 |
38 |
| 4 |
62 |
89 |
29 |
60 |
| 5 |
69 |
96 |
39 |
57 |
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註：P為全體考生的答對率平均；
Ph為前三分之一高分組考生的答對率平均；
Pl為後三分之一考生的答對率平均。
D為鑑別度指數：Ph－Pl＝D。
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在此僅就考生第5題的答題情形，也就是選項分析說明如表3。
| 表3 第5題的選項分析 |
| 選項 |
A |
B |
C |
*D |
E |
| 高分組(%) |
2 |
0 |
1 |
96 |
1 |
| 低分組(%) |
25 |
8 |
21 |
39 |
6 |
表3中(D)為正確選項，高分組中有96%的考生，低分組也有39%的考生選對選項(D)。值得注意的是，錯誤選項中的(B)②③與(E)②③⑤分別有8%與6%，共有14%的低分組考生選擇②③為氧化反應。如上所述，②③是互為可逆反應中的正反應與逆反應，若正反應為氧化，則逆反應為還原，這項基本認識，應是這14%考生所欠缺。
本文介紹有機化合物的氧化與還原反應。首先，是以氧化還原反應的定義出發，接著以電負度說明碳的平均氧化數，最後，再以今年指考化學考科的例子，說明有機化合物的氧化與還原反應。希望藉由本文的介紹，讓各界對有機化合物的反應有更進一步的認識。
三、參考資料
1. 陳建添等〈選修化學上〉，P.173，康熹文化、圖書編號10405（民國102年）。
