氧化還原之應用(Application of Oxidation and Reduction)(一)

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。然而塗抹的區域，若長期曝露在陽光底下，則可能有造成皮膚癌的危險，須特別注意。

氯和它相關的化合物，是我們日常生活中另一種常碰到的氧化劑。氯氣被用來殺死微生物，包括飲用水與廢水的處理。游泳池的水通常使用氯消毒，把氯氣以液體存在圓鋼桶裡導入大水池中，當氯與水反應會產生鹽酸(HCl)與次氯酸(HClO) (eq 2)，實際上具有消毒效果的是次氯酸
Cl₂g) + H₂O(l)→H⁺(aq) + Cl^–(aq) + HOCl (aq) (eq 2)
因為鹽酸會將池水變成酸性，必須加鹼如碳酸鈉Na₂CO₃來加以中和。小池水有時用氯氣溶於氫氧化鈉以產生次氯酸鈉(漂白水成分)來加以消毒，反而造成池水過於鹼性，必須加入鹽酸來加以中和。

另外，次氯酸鈣[Na(ClO)₂]常用在醫院與療養院中消毒衣物與被單等。幾乎所有的氧化劑都被當作漂白劑，可將纖維、毛髮或其他材質上的汙垢清除。然而有些太過於昂貴，有些則過於傷害衣物纖維，有些則會產生令人討厭的產物，有些則只因為不夠安全。在食物化學裡，抗氧化劑－抗壞血酸(ascorbic acid)，維他命C ，可溶於水，被視為可阻止活細胞被氧化而產生的迫害。例如，從食物所攝取的亞硝酸離子(NO₂^–)，進入血液中會氧化血紅素的鐵離子而破壞他們的攜帶氧之能力。然而若在胃中，維他命C會將亞硝酸離子氧化成一氧化氮(NO)的氣體。
C₆H₈O₆(aq) + 2H⁺(aq) + 2 NO₂^–→ C₆H₆O₆ (aq) + 2 H₂O (l) + 2 NO (g)
生育酚(tocopherol)是個可溶性的抗氧化劑，在身體中被視為清除新陳代謝所產生對人體有害之副產物，例如高活性的分子碎片－自由基(free radicals)。在食物中，維他命E可防止因脂肪被氧化而造成腐臭的味道。

參考資料:
1. J. W. Hill, General Chemistry, 4th ed., 2005, Prentice-Hall.
2. Benzoyl peroxide. http://en.wikipedia.org/wiki/Benzoyl_peroxide