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物質之間的作用 化腐朽為神奇也化神奇為腐朽 最早的化學反應 地球上有 92 種自然存在的元素。當地球形成之初，這些元素就都存在了。 那時的溫度很高，整個地球像個火球。我們馬上會想到，在這種情況下是不是什 麼東西都燒起來了?都燒掉了?是的。但是要燒起來，這 92 種元素中一定要有一 部份是被燒掉的，一部分是燒別人的。用化學的術語來說，那些被燒的叫做還原 劑，那些燒別人的叫做氧化劑，所謂燃燒實際上就是一種快速的、放熱的氧化還 原反應。在反應進行之中，可以說還原劑被氧化劑氧化了，也可以說氧化劑被還 原劑還原了，兩者之間的關係是平等的，並沒有主從之別。(圖 1) 在熊熊火焰中，我們常說一塊木材「被燒掉」了，而空氣中的氧氣是「助燃」 的。這樣說大致上也沒錯，但若嚴謹地講，木材與氧氣之間的關係是平等的，在 反應的過程中，氧氣氧化了木材，木材還原了氧氣，反應的結果木材與氧都不見 了，生成的是二氧化碳和水。只是因為氧氣看不見，摸不著，被人們直覺地打成 了配角而已。 (圖 2) 在 92 種元素中，有的是明顯的氧化劑，例如氧、氯、氟等等；有的是明顯 的還原劑，例如各種金屬和碳；也有的立場並不明確，與強氧化劑在一起時它就 是還原劑，與強還原劑同在時它就是氧化劑，在地球初形成時的大燃燒中，他們 都得選一邊站。但有一些是絕對的中立份子，就是那些惰性氣體：氦、氪、氙、 氬、氖、氡。氦是其中的老么，最外層的電子軌道上有 2 個電子；其餘的，最外 層電子軌道上都是 8 個電子，都沒有起任何反應的需求，當然也不會參與燃燒的 反應。 任何可以燃燒的物質，也就是還原劑，被氧化(燃燒)以後都會產生「灰」， 也就是這個物質的氧化物，例如氧化鐵、氧化鋁等等。地殼的大部分就是由這些 金屬的氧化物構成的，碳燃燒後所產生的灰就是二氧化碳；氫燃燒後所產生的灰 就是水。植物的身體大部分是由碳水化合物構成的，主要的成分是碳、氫和氧。 為什麼燃燒植物以後會產生一些固體的灰呢?那是因為植物的身體裡面也含有少 量的金屬化合物的關係，燃燒之後當然會產生一些金屬氧化物，就是燒柴、燒木 炭時爐底的灰了。 前面提到過，在地球初形成時的溫度很高，可以燒的都燒掉了。問題是，燃 燒開始前的氧化劑和還原劑不可能正好一樣多。如果還原劑比氧化劑多，那麼， 全部的氧化劑都會耗用掉，而剩下多餘的還原劑，反之也是一樣。事實上是，地 球初形成時，還原劑比較多，容易燒掉的氫和碳都優先燒光了，燒不完的鐵和鎳， 因為很重，都以液體的狀態沉在地心。燒掉了的金屬所生成的灰，也就是金屬的 氧化物，比較輕，熔點也比較高，就浮在上面，像煉鋼高爐中的熔渣一樣，就是 我們的地殼了。在地殼的上面是水、二氧化碳和不會起化學起化學反應的少量的 惰性氣體，以及不容易起化學反應氮氣。因此，在地球形成之初的大氣中是沒有 氧的。(圖 3) 化學反應和物理作用 我們可以把一杯水加熱，原來是一杯冷水，加熱後成了一杯熱水，不論冷水、 熱水，都是水。再繼續加熱，燒滾了，使水變成了水蒸氣，那只是水的另一種形 式，仍然是水。把這杯水放在冷凍庫裡，讓他結成冰，那也是水的又一種形式， 也仍然是水。這種形式上的改變，是物理的作用，不是化學變化。化學變化使一 種「東西」變成另外一種不同的東西，或是使幾種東西變成完全不同的東西。上 面談的氧化還原反應都是最常見的化學反應。(圖 4) 氧化和還原 我們開車到加油站加油。加油站附近是禁止吸煙的，而且汽車和摩托車都要 先熄火再加油。這表示汽油或汽油的蒸氣雖然易燃、危險但如果不去「點火」。 還是不會起火燃燒或爆炸的。既使把汽油和空氣混合後送到汽車的汽缸哩，也是 要用火星塞點火才會燃燒或爆炸的。 一些紙張、棉花或一根蠟燭放在空氣中不會自己燒起來，但用火柴點一下， 就燒起來了，換句話說就是被空氣中的氧氣氧化了，同時氧氣也被還原了，就像 在一場婚禮中，有一位男士娶了一位新娘，同時必定有一位女士嫁了一個新郎。 (圖 5) 一張紙為什麼必須要用火柴點一下，否則在空氣中很久也不會燒起來呢?紙 遇到了空氣中的氧，便有把它還原掉的傾向；空氣中的氧遇到了一張紙，也有把 它氧化掉的傾向，就像一位美女遇到一位帥哥時一樣。但是，要這氧化/還原的 作用發生，需要克服一個能量的障礙，或是有一個「山頭」需要跨越。這個障礙 的大小要視反應的雙方是誰而定，一根火柴提供了紙與氧越過這個障礙所需要的 能量，燃燒就開始了，放出更多的能量，也引起更多的燃燒。「星星之火可以燎 原」，這就是為什麼一個菸蒂會引發森林大火的