還原劑

還原劑 (Reducing Agent)
國立臺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

還原劑是指在氧化還原反應中，擔任電子提供者的角色，也就是在反應中它本身被氧化，同時還原另一個反應物。例如下列亞鐵離子和氯氣的反應： Fe²⁺ + ½Cl₂ → Fe³⁺ + Cl^–(eq 1) 還原試劑是為Fe²⁺，它提供一個電子而轉變成Fe³⁺，同時間氯氣被還原成負一價的氯離子(Cl^–)。

在有機化學中，「還原」是指碳原子的氧化數（oxidation number）價數減少，如含不飽和碳化合物的氫化反應（hydrogenation）。C₆H₆+ 3 H₂ →C₆H₁₂ (eq 2) 苯(C6H6，benzene)在鉑金屬的催化之下和氫氣反應產生環己烷(C₆H₁₂，cyclohexane)，原本苯的碳的氧化數是-1，氫化後的環己烷的碳的氧化數變成-2，減少了1，所以氫氣是還原劑且提供電子給苯。

什麼才是強還原劑？

愈容易提供電子的物質還原能力愈強，也就是強還原劑。以元素為例，原子半徑愈大的元素，因價電子距離原子核較遠，所以這些電子較不被原子核束縛，較容易失去電子，電負度低，游離能也較小，因此視為強還原劑，例如活潑的金屬，鈉、鉀、鈣、鋇、鎂…等。另外，金屬的氫化物，如氫化鈉(NaH)、氫化鈣(CaH₂)…等，可提供帶負電的氫離子（H^–，hydride），也是強還原劑。

有些化合物或元素可當還原劑亦可作為氧化劑。例如，氫氣與氧氣或氟反應時，是擔任還原劑角色(eq 3)；與金屬反應時，卻變成氧化劑 (eq 4)。 H₂ (還原劑) + F2 → 2 HF (eq 3) H₂ (氧化劑) + 2 Na → 2 NaH (eq 4) 植物行光合作用（Photosynthesis）是日常生活中常見還原反應實例 (eq 5)。在反應中，需要酵素(enzyme)與葉綠素將陽光轉換成化學能量。其中，CO₂被還原成碳水化合物（(CH₂O)n，carbohydrate），H₂O被氧化成O₂ (圖一)。 CO₂ + 2 H₂O + 陽光 → (CH₂O)n + H₂O + O₂ (eq 5)

其他日常生活中常見還原劑：焦煤、氫氣、一氧化碳、二氧化硫（SO₂，sulfur dioxide）等。高爐煉鐵時，焦炭將氧化鐵中的鐵還原(eq 6-8)。二氧化硫是個很好的還原劑，在城市的污水處理中，二氧化硫用來處理排放前的氯化污水：二氧化硫與氯氣反應，氯氣被還原，生成Cl^–。

此外SO₂常用於漂白動物織品原料、稻草和羽毛，亦用於糖的精製及蔬果的保存，但有致癌之虞。
Fe₂O₃(s) + C (s) → 2 Fe₃O₄(s) + CO (g) (eq 6)
Fe₃O₄ (s) + CO (s) → 3 FeO (s) + CO₂ (g) (eq 7)
FeO (s) + CO (s) → Fe (s) + CO₂ (g) (eq 8 )

參考資料：
1. Reducing agent. http://en.wikipedia.org/wiki/Reducing_agent
2. Sulfur dioxide. http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_dioxide
3. Photosynthesis. http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis
4. J. W. Hill, General Chemistry, 4th ed., 2005, Prentice-Hall.