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      將氧化劑從最強到最弱排序:哪個最適合哪些任務?

      對于經常為研究或電子組裝進行氧化還原反應的實驗室,擁有一個氧化劑庫并了解它們的比較優勢至關重要。然而,即使在技術和科學專業人士中,大多數沒有化學背景的人也可能不了解氧化劑是什么或它們是如何工作的。這是有問題的,因為在許多實驗室中,技術人員需要知道為特定任務選擇哪種氧化劑——而做出錯誤選擇的后果可能是災難性的。

      在討論哪種氧化劑適合不同類型的實驗室任務之前,有必要探索如何測量氧化劑的強度,并了解什么定義了氧化劑非常適合特定的工作。

      什么是氧化劑的標準還原電位,它為什么重要?

      簡短的分析化學課程將為氧化劑的實際使用奠定堅實的基礎。當一種化學物質接收電子時,它被稱為“還原”;當它提供電子時,它被稱為“氧化”。在化學溶液的情況下,添加氧化劑相當于添加原子,該原子可以從溶液中的其他原子接收電子,從而使溶液中的其他原子捐贈電子并被氧化。雖然這個術語有點違反直覺,但更多地了解如何測量氧化和還原將提供實質性的澄清。 標準還原電位  化學物質的 (E h ) 描述了該化學物質從相鄰電極而不是從溶液中化學物質的另一個原子接收或提供電子的難易程度。具有更高標準還原電位值的化學物質是更好的氧化劑,因為它們可以接受更多的捐贈電子,從而氧化更大比例的符合捐贈條件的潛在電子。標準還原電位以伏特為單位測量,因為它反映了電子從電極流向化學物質的流動。

      然而,精明的化學家會注意到,電子流動的難易程度受幾個因素的影響,包括:

      • 溫度

      • 參與原子的純度

      • 離子濃度

      • 分壓

      因此,標準還原電位的“標準”分量是指還原電位與特定化學品列出的伏特值相同的條件。  

      這些條件是:

      • 25攝氏度

      • 100% 純度的參與原子

      • 1 摩爾濃度的參與離子

      • 參與氣態原子的分壓為 1 個大氣壓

      為了使度量標準標準化,定義為零伏電位的一致氫電極也用作參考點。在現實世界的實踐中,最重要的一點是具有更高標準還原電位的元素將成為更有效的氧化劑??紤]到這一指標,可以比較氧化劑的相對能力,以找到最適合任何給定應用的氧化劑。

      哪些氧化劑最強,哪些最弱?

      每種最常見的氧化劑都有特定的用例。試劑的液相或氣相、其腐蝕性能以及對人體或其他實驗室硬件造成傷害的風險都是需要考慮的相關因素。通常,大多數氧化劑對人的生命是危險的,如果控制不當,可能會對周圍區域造成損害。然而,通過適當的預防措施,大多數氧化劑可以安全地用于它們的至少一個物質相。

      硫酸 (H2SO4) 是一種中等強度的氧化劑,標準還原電位為 0.17 伏。因為硫酸根據定義是其水溶液形式,所以它非常適合在電極表面上積聚的殘留物被氧化的情況下,必須將其清除和沖洗掉。

      然而,作為氧化劑,硫酸不一定能捕獲足夠的電子來消除高度還原的電極或溶液中的自由電子。此外,硫酸不適合與由銀或金等易腐蝕元素組成的電極或化學溶液一起使用。

      過氧化氫 (H2O2) 在其水溶液中的氧化電位為 0.70 伏。與硫酸不同,過氧化氫是一種更強的氧化劑。由于它不是強酸,因此使用起來也更加安全。這意味著它也適用于氧化由容易失去光澤或腐蝕的元素制成的電極。對于大多數實驗室用途,過氧化氫是理想的氧化劑,因為它的強度足以完成對目標溶液或電極的氧化任務,同時購買成本低廉且使用起來簡單安全。

      然而,在某些情況下,水性氧化劑在氧化過程之后是不希望的或難以去除的。此外,可能存在過氧化氫不足以完全氧化目標的情況。

      臭氧 (O3) 是一種氣態的強氧化劑,具有 2.075 伏的氧化電位。臭氧對人類非常危險,而且由于暴露在狹窄范圍之外的溫度下容易爆炸,因此也很難使用。當使用正確的預防措施時,臭氧是需要極其強大的氣相氧化劑的工業應用的首選。但是,臭氧的購買成本非常高,并且在使用或儲存時需要非常小心,這使得它不適合使用另一種氧化劑來完成的任務。  

      氟 (F2) 是最強大和最通用的氧化劑之一,其水溶液形式的氧化電位為 3.05 伏特,氫氟酸,其氣態形式的氧化電位為 2.87 伏特。對于需要在液相或氣相中使用最強氧化劑的應用,氟是唯一的選擇。然而,氟具有極強的反應性,無論其相或目標的組成如何,都很難使用。

      許多原子和分子以最小的刺激與氟發生爆炸性反應,包括無處不在的分子,如二氧化碳。有機分子中的常見元素,如碳、氮和氨,也會在各種分子條件下發生爆炸性反應。因此,明智的做法是避免使用氟作為氧化劑,如果有其他東西可以完成這項工作。

      為工作選擇合適的氧化劑

      雖然上述氧化劑列表只是可以發揮類似作用的大量市售化學品中的一小部分,但許多實驗室可能仍然難以根據他們的需要選擇合適的氧化劑,尤其是當他們的需求是非傳統的時。因此,與經驗豐富的氧化劑和其他實驗室化學品供應商合作可以大大有助于為實驗室的預期應用找到合適的化學工具。當實驗室與熟悉其工業或研究需求的合格供應商合作時,保持創新引擎的運轉比以往任何時候都容易。

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