物質變化

氧化數(Oxidation Number)和氧化態 (Oxidation State)（一）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

在氧化還原反應中，為了描述反應中電子數目的改變，化學上常使用氧化數或氧化態的概念，表示物質在反應中電子增加或減少的程度，就是賦予元素在不同的化合狀態中一個簡單數值，以表示其失得電子的狀況。失去電子者氧化數為正值，獲得電子者為負值。

氧化還原之應用(Application of Oxidation and Reduction)(一)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

我們生活在一個有氧的世界裡，氧氣(Oxygen，O₂)不論是在生物體內還是在我們生活中，都扮演著最重要的氧化劑的角色。氧氣可以將金屬氧化，如鐵生鏽，形成氧化鐵；氧化伴隨著大量熱能的產生，如燃料的氧化燃燒用以溫暖室內環境並且推動汽機車引擎，甚至我們每天所需得能量也是氧氣”燃燒”我們所吃的食物所提供。另外，還原劑在生活中也扮演著重要的角色，例如食物中的抗氧化劑。家庭一般常用的氧化劑為過氧化氫(hydrogen peroxide，H₂O₂，圖一)，一般低濃度3%的H₂O₂水溶液，主要用於殺菌及醫療用途，如處理較小的刀傷口。在血液中的酵素就會催化H₂O₂分解反應的進行(eq 1)，加速氧的產生以幫助清潔傷口與殺死細菌。
2H₂O₂(aq)→H₂O(l) + O₂(g) (eq 1)

強氧化劑，過氧苯醯(benzoyl peroxide，圖一)，常以5%和10%的濃度來處理粉刺和痤瘡。除此之外，它的抗菌作用，可當作皮膚的刺激物，促使老舊皮膚剝落而被新的取代，讓皮膚可煥然一新。

氧化劑 (Oxidizing Agents)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

氧化是種常見的化學反應，譬如爆炸、化學合成、腐蝕反應都是氧化反應的種類之一；此外無論是金屬、非金屬與有機化合物等都可以進行氧化反應。例如，鐵氧化成氧化鐵（鐵銹，eq 1）、硫氧化成二氧化硫，有機烷類氧化就會形成二氧化碳和水（eq 2）等。4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ (eq 1) CH₄+ 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (eq 2) 氧化反應中最重要的兩個主角就是「氧化劑」和「被氧化劑」，eq 1和eq 2中的Fe和CH₄是被氧化劑，而氧化劑就是佔空氣20%的氧氣（最常見的氧化劑）。

一般常見氧化劑都有含有很多氧，譬如臭氧（O₃）、次氯酸與其鹽類化合物（漂白水（NaOCl）、氯酸鹽、亞氯酸鹽、過氯酸鹽以及類似的鹵素酸鹽化合物，還有硝酸、硝酸鉀（KNO₃）、過錳酸鹽、過氧化氫（H₂O₂）及多倫試劑等。但是，有些氧化劑反而沒有氧元素的組成，例如，鹵素分子－氟、氯、溴、碘。 真正氧化劑的定義是：反應中若某一物質或元素的氧化數減少，則此反應物稱為氧化劑。而氧化劑的氧化數減少來自於「氧化劑」接受「被氧化劑」的電子，所以氧化劑又被稱為電子的接受者。

質量守恒（Conservation of Mass）
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯 　　

質量守恒或物質不滅定律（The law of conservation of mass/matter）又稱落蒙諾索-拉瓦節定律（Lomonosov-Lavoisier law）：說明在密閉系統中質量保持定值與系統內的反應過程無關。換句話說物質不能被生成與破壞，只會進行重組的反應。這意味著在密閉系中的化學反應其反應物的總質量必等於生成物的總質量。在狹義相對論與量子力學提出前，質量守恒定律能說明一般古典物理的現象。這個有歷史性的概念廣泛應用在許多科學領域上，如：化學、力學及流體力學。

歷史的發展與重要性 　　

在西元13世紀時Nasīr al-Dīn al-Tūsī 已提出質量守恒定律初步但不完整的概念，他認為物質能改變但不會消失。到了1789年拉瓦節首先有系統且清楚地提出質量守恒定律，因此拉瓦節被譽為近代化學之父。然而早在1748年Mikhail Lomonosov就已表達出相同的想法並已得到實驗的應證。

反應速率(Reaction Rate)
台北市立第一女子高級中學二禮3號婕,二禮 40號 鄭佳怡/台北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

對特定反應而言，反應速率(reaction rate)的定義是單位時間內反應物或產物生成的快慢。研究反應速率的理論屬於化學動力論(Chemical kinetics)，這些化學動力論的觀念用在許多領域，像是：化學工程學、酵素學、和環境工程學等。影響反應速率的因素很多：物質本性、溫度、濃度、壓力、固體顆粒總表面積、催化劑、溶劑種類、電磁波、同位素、試劑添加順序及攪拌等，分別簡介如下： (1) 物質本性 某些反應本質上就比其他來的迅速，舉例而言，在空氣中鐵的氧化，是長達數年的緩慢反應，但是丁烷的燃燒卻只需要數秒的時間。依據碰撞學說(collision theory)，活化能愈高的系統，其反應速率愈慢。 (2) 溫度 依據碰撞學說，通常在較高溫下進行反應，透過增加分子的碰撞，可以使反應速率提高。然而主要的原因，是因為碰撞的分子擁有比較高的能量，而導致有效碰撞的增加，也就是說原子間的化學鍵較易被打斷和生成。溫度的影響在阿瑞尼士方程式(Arrhenius equation)裡有被提及，一般而言，溫度每上升10℃，反應速率會增為2~3倍。 (3) 濃度、壓力及固體顆粒總表面積。

阿瑞尼斯與「電解分離」說（Arrhenius and Electrolytic Dissociation Theory）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

雖然德國有機分析生化學家來比錫（Justus von Liebig, 1803-1873）在獨到精闢的分析推論後，將「酸性物質」定義為含「氫」物質，對於「鹼性物質」的闡述卻仍一知半解。除了延續過去經驗，知道「鹼」為中和「酸」的物質之外，「中和反應」能以進行的箇中原因，對十九世紀中期的科學家來說，依然不明就裡。

柳暗花明又一村–阿瑞尼斯的酸鹼學說
西元1880年間，瑞典化學家阿瑞尼斯（Svante August Arrhenius, 1859-1927）在致力於分析測量多種物質水溶液濃度與導電度之間的關係後發現，酸、鹼、鹽等物質在越稀薄的溶液中，其莫耳導電度（molar conductivity）就越好；而強酸、強鹼的導電度，又比相同濃度的弱酸、弱鹼來得好，於是他在1884年所撰寫的博士論文中，大膽提出：「強酸、強鹼、及鹽類分子溶於水，會『裂開（split up）』，以陰離子、與陽離子存在於水中。」這樣的主張，引起當時科學界許多爭議，他的口試委員對其說法，大表不以為然。

化學中的裂解（cracking）
國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

在石油地質學和化學中，裂解是藉著打斷前驅物的碳－碳鍵，將複雜的有機分子（例如油母或較大的碳氫化合物）斷裂成較小分子的程序。而溫度和催化劑則對於裂解反應的反應速率和最後生成的產物有很大的影響。裂解也常被稱為熱裂解，將大分子烷類斷裂為應用性較大的小分子烷類及烯類。

催化劑裂解

催化劑裂解利用沸石催化劑和適度的高溫(400-500 °C)來將大分子碳氫化合物斷裂成較小的分子。在反應過程中，反應性較小（也就是較穩定、存在較久）的陽離子中間物會堆積在催化劑的活化位置上，產生含碳產物的沉積（也就是焦炭）。這些沉積物必須被移除（通常利用燃燒），以恢復催化劑的活性。