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芬頓試劑

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芬頓試劑（英語：Fenton’s reagent）是一種含有過氧化氫H2O2與亞鐵離子 Fe2+（作催化劑，通常是硫酸亞鐵）的溶液。芬頓試劑被用於氧化有機污染物或廢水，是高級氧化技術（英語：Advanced oxidation process）（AOPs）中常用的方法，其對有機廢水中的三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE）等有機物的降解效果明顯。芬頓試劑是由H. J. H. Fenton（英語：Henry John Horstman Fenton）在1894年發現的。[1][2][3]

機理

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芬頓試劑的氧化性來源於過氧化氫在Fe2+ 催化下產生的羥基自由基 ·OH [4]，首先亞鐵離子被過氧化氫氧化為鐵離子，在此過程中產生羥基自由基和氫氧根離子，而後鐵離子被另一個過氧化氫分子還原為亞鐵離子，產生過氧化氫自由基和氫離子，反應總和為亞鐵離子催化過氧化氫歧化為兩種自由基。

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH− 1
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2• + H+ 2
2 H2O2 → HO• + HO2• + H2O 1+2

此過程產生的自由基有著較高的氧化還原電位，是一種非選擇性強氧化劑[5]，芬頓試劑與有機物的氧化反應迅速且放出大量熱，主要氧化產物為二氧化碳和水。反應（1）的機理由哈伯與韋斯在1932年提出，並囊括於哈伯 - 韋斯反應之中[6]。

硫酸亞鐵是最常用的鐵催化劑，對於亞鐵離子氧化後還原重新切入催化循環的機制尚未有共識。Yamazaki等人報道利用順磁共振（ESR）方法以5,5-二甲基吡咯啉-1-氯氧化物（DMPO）作為自由基捕獲劑分析芬頓反應的機理[7]，據稱反應是亞鐵離子被過氧化氫氧化成三價鐵後，由Fe2+和Fe3+共同催化產生羥基自由基的過程，且有部分鐵被氧化為Fe(IV)價態。也有研究認為芬頓反應中除了產生羥基自由基外，也有高價鐵中間體產生，並且在有機物的氧化過程中是Fe=O2+起主導作用[8]。

影響因素

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對於芬頓反應的速率（尤其是對光芬頓反應而言），pH是關鍵因素之一。在低pH值時，Fe2+水合物會與HO•發生絡合，降低氧化效率[9]，且較低pH值時體系中的多餘質子也會與產生的HO•發生反應[10]。而pH值偏高時，鐵離子會形成沉澱，使鐵逐漸從催化體系中被去除，從而降低反應速率[11]，並且在鹼性條件時H2O2也會自發地分解[12]。較高的pH值也會降低HO•的氧化還原電位，從而降低其氧化效果[13][14]。

pH對反應速率的影響
低pH 形成[Fe(H2O)6]2+水合物
•OH被過量的H+消耗
高pH 降低•OH的氧化還原電位
H2O2在鹼性條件下會自發分解
產生Fe(OH)3沉澱

應用

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芬頓試劑被用作污水處理試劑[11][15]，芬頓試劑在化學反應中可用作羥基供體或氧化劑，如[16]：

芬頓反應在生物化學中有著不同的應用方法，通過在體內細胞中鐵的反應產生或消除自由基，雖然臨床上的用途和重要性尚不明確，但也是活動性感染時避免補鐵的可行方法之一，或是其他任何由鐵介導的感染[19]。

拓展閱讀

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外部連結

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參考文獻

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  1. ^ Koppenol, W. H. The centennial of the Fenton reaction. Free Radical Biology and Medicine. 1 December 1993, 15 (6): 645–651. PMID 8138191. doi:10.1016/0891-5849(93)90168-t. 
  2. ^ Fenton, H. J. H. Oxidation of tartaric acid in presence of iron. Journal of the Chemical Society, Transactions. 1894, 65 (65): 899–911. doi:10.1039/ct8946500899. 
  3. ^ Hayyan, M.; Hashim, M. A.; Al Nashef, I. M. Superoxide ion: Generation and chemical implications. Chemical Reviews. 2016, 116 (5): 3029–3085. PMID 26875845. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00407. 
  4. ^ Shuangqin, Chen; Mai, Li; Qingmin, Ji; Tao, Feng; Si, Lan; KeFu, Yao. Effect of the chloride ion on advanced oxidation processes catalyzed by Fe-based metallic glass for wastewater treatment. Journal of Materials Science & Technology. 2022, 117 (22): 49–58. 
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