10氧化与还原.ppt

氧化與還原 所有的化學元素在適當的條件下，都能接受或釋放電子。 氧化反應是一物質電子的損失。 還原作用是電子之獲得。 e.g. 土壤與自然界的化學條件限制了參與自然電子交換的元素的數目。雖然參與交換電子的元素是相對的少數，但卻是十分重要，因為它們包括了碳、氮與硫及其一齊維持生命的反應。 許多無機的土壤化學反應，以及實質上所有碳、氮與硫的生物學上的反應都是氧化－還原(Redox)反應。 大部分的氧化還原反應也轉移H+離子，在土壤化學反應中，H+與e-的相對重要性大部分決定於氧氣的存在或缺乏，氧是自然界中主要的電子接受者，亦即是主要的氧化劑，因此是一種電子緩衝劑。 在有氧氣存在的好氣性土壤中，e-的有效性相當固定，因此與H+的重要性相較，e-似乎是微不足道。 前面數章假設土壤中氧氣是充足的，而本章則將探討當氧氣在低濃度或缺乏時，土壤會發生什麼事。 大約地球表面的70%是被水覆蓋，其環境是相對的缺氧。此外，許多陸地表面一年的部份時期或整年是浸水或非常濕潤，許多底土有受限制的排水與低的氧濃度，以及土壤團粒的內部孔隙可能有比大氣低相當多的氧氣濃度，農業也改變了土壤供應氧氣的能力。 土壤的氧化反應-還原反應 土壤中的氧化還原反應是一起自光合作用的循環之結果，土壤的反應完成了這個循環，因為他們利用了光合作用所儲存的能量，處置有機廢棄物，並產生CO2以供另外的光合作用所需。 殘餘的植物物質與動物殘餘物落在土壤上而被土壤生物所氧化 碳水化合物氧化的半反應是： 為了得到這個能量並進行半反應，微生物必須尋找一個電子接受者來接受電子，如果氧氣存在，電子接受的半反應是： 高等植物與動物僅能利用O2做為電子接受者，而土壤微生物則尚能利用氮、硫、鐵、錳，以及其他元素的氧化狀態，電子接受者的數目及其無數的氧化狀態，使得土壤化學與生物化學的氧化還原反應錯綜複雜。 包含碳、氮與硫的氧化還原反應，大部分決定於電子的有效性，且通常是由酵素來催化。 電子供給者 土壤中氧化-還原反應主要的電子供給者是新近落下的植物物質與土壤有機質(SOM) 植物物質 SOM: 完成上述反應之半反應為氧對電子的接受 有機質氧化的全反應大約是： 土壤中除了有機碳以外的其他的電子供給者，包括胺基(-NH2)與硫醇基(-SH)官能基中的氫與硫，以及有機質中的銨離子。 電子接受者 氧氣是自然界中最強的電子接受者，因此從氧化作用中產生最多的能量。 然而在土壤中（例如埋於地下煤氣當漏氣以及作為有機廢棄物處置之土壤）相對於氧氣的供應，高的氧氣需求，會很快消耗掉土壤中的氧氣。如果得不到氧氣，土壤微生物會利用其他的電子接受者，土壤中主要替代的電子接受者及其半反應如下： [其中MnO1.75表示土壤中複合的Mn(Ⅲ-Ⅳ)氧化物] 電子接受者 (續) 替代氧為電子接受者被還原後的氧化狀態，常比其在氧氣存在下安定的氧化狀態更具毒性。 eq. NH3, NO2-比NO3-更具毒性 H2S比SO42-更具毒性 在水田中，Fe(Ⅲ)與Mn(Ⅲ-Ⅳ)的還原 ?植物毒性的Fe2+與Mn2+的濃度 eq. NO3-?N2, N2O會造成土壤氮的損失，  是農業上不想要的。 如果氧氣與替代的電子接受者都不存在，土壤中的微生物及其他系統仍能經由發酵作用，而從有機化合物中萃取一些能量。從能量的觀點來看，發酵作用是有機分子的重組成較為安定的化合物，而使得他們部份的鍵結能釋放出來。碳水化合物的發酵作用變成乙醇（C2H5OH）或甲烷（CH4）與CO2；植物物質的發酵作用變成泥炭（peat） 與CO2，釋放了大約10%的能量，因此發酵作用的產物(分別是乙醇、甲烷與泥炭)保留了原始物質的約90%的能量。 氧化反應-還原反應 物質供給或接受電子的傾向是由其電極電位（electrode potential）所決定。 高的電極電位（還原電位）的元素或離子較易接受電子，因此是強氧化劑。低的電極電位（還原電位）的元素或離子反而易供給電子，是強還原劑。 在整個電極電位範圍中，僅有相對狹窄的部份，在土壤中是可用的。水在氧化成O2與還原成H2方面的安定度，限定了土壤與生命系統中電極電位的範圍與可能的氧化狀態。因而在電極電位表中介於H2O-O2和H+-H2之反應偶（couple）中的氧化還原偶，各偶的一半都能在水中安定，其安定度之大小決定於電子之有效性。在還原條件下，如Fe2+、硫化物與氨氣等物質是安定的，如果有氧氣可用來接受電子，並降低電子的有效性（氧化條件），安定的氧化狀態令是Fe(Ⅲ) 、SO42-與NO3-。 如果O2的供應不足，土壤微生物會被迫逐步的利用較弱的電子接受