Hapetusluvut
Hapetuslukujen avulla voidaan seurata, miten elektronikirjanpito muuttuu reaktiossa. Sidoselektronit osoitetaan muodollisesti elektronegatiivisemmalle atomille. Menetelmä on erittäin hyödyllinen redox-kemiassa, mutta hapetuslukua ei pidä tulkita suoraan atomin todelliseksi sähkövaraukseksi.
Perussäännöt ja niiden järjestys
Vapaassa alkuaineessa hapetusluku on 0. Yksiatomisella ionilla se on sama kuin ionin varaus. Neutraalin yhdisteen hapetuslukujen summa on 0 ja moniatomisen ionin summa on ionin kokonaisvaraus.
Fluorin hapetusluku on yhdisteissä −1. Hapen tavallinen arvo on −2, mutta peroksideissa −1, superoksideissa keskimäärin −1/2 ja fluoriyhdisteissä happi voi olla positiivinen. Vedyn tavallinen arvo ei-metallien kanssa on +1, mutta metallihydrideissä −1.
Lasketut esimerkit
KMnO₄
K = +1 ja O = −2. Neutraalille yhdisteelle +1 + x + 4(−2) = 0, joten Mn = +7.
SO₄²⁻
Neljä happiatomia antaa yhteensä −8. Sulfaatti-ionin varaus on −2, joten x − 8 = −2 ja S = +6.
NH₄⁺
Vety on +1. Ammoniumionille x + 4(+1) = +1, joten typen hapetusluku on −3.
Fe₃O₄
Happi antaa yhteensä −8, joten kolmen Fe-atomin on annettava +8. Keskimääräinen hapetusluku on +8/3. Kiderakenteessa on sekä Fe²⁺- että Fe³⁺-paikkoja.
Muodollinen varaus, hapetusluku ja osittaisvaraus ovat eri käsitteitä
Muodollisessa varauksessa sidoselektronit jaetaan tasan. Hapetusluvussa ne osoitetaan elektronegatiivisemmalle atomille. Osittaisvaraus kuvaa todellista jatkuvaa elektronitiheyttä eikä sen tarvitse olla kokonaisluku.
Murtoluvut ja sekavalenssit
Murtoluku on usein keskiarvo. Superoksidissa KO₂ kalium on +1, joten kahden hapen yhteinen arvo on −1 ja keskimääräinen hapetusluku −1/2. Tämä ei tarkoita, että jokaisella O-atomilla olisi klassinen paikallinen varaus −1/2.
Fe₃O₄:n kaltaisessa kiinteässä aineessa ei-kokonaislukuarvo voi johtua eri hilapaikkojen eri kokonaislukuisista hapetusluvuista. Rakennetutkimus ja spektroskopia ratkaisevat, kuinka paikallistuneita nämä tilat ovat.
Hapetusluvun muutos paljastaa redoxin
Kun hapetusluku kasvaa, atomi hapettuu elektronikirjanpidossa; kun se pienenee, atomi pelkistyy. Muutoksen suuruuden avulla voidaan tasapainottaa monien redox-reaktioiden elektronimäärät.
Hapetuslukumenetelmä ei kuitenkaan kerro reaktiomekanismia eikä nopeutta. Tasapainotettu redox-yhtälö kuvaa elektronikirjanpidon, ei sitä, millä alkeisvaiheilla reaktio tapahtuu.
Tärkeät poikkeukset ja tarkennukset
Keskimääräinen hapetusluku ja paikalliset paikat
Esimerkiksi Fe₃O₄:n keskiarvo +8/3 peittää alleen kemiallisesti erilaisia Fe²⁺- ja Fe³⁺-paikkoja. Paikallisen kemian tulkinnassa hapetusluku on yhdistettävä rakenteelliseen tai spektroskooppiseen tietoon.
Hapetusluku koordinaatio- ja kovalenttisessa kemiassa
Koordinaatiokompleksin metallin hapetusluku saadaan ligandien muodollisista varauksista ja kompleksin kokonaisvarauksesta. Kovalenttinen metallin ja ligandin välinen sitoutuminen ei poista tämän kirjanpidon hyödyllisyyttä, mutta arvo pysyy muodollisena.
Toistettava määritysalgoritmi
Aloita kokonaisvarauksesta. Lukitse ensin varmat säännöt kuten alkalimetallit, fluor ja tavallinen O/H, ratkaise tuntematon algebraalisesti ja tarkista lopuksi poikkeukset kuten peroksidit, superoksidit ja hydridit.
Hapetusluku ja sidoksen polariteetti voivat osoittaa samaan suuntaan olematta sama asia
Suuri positiivinen hapetusluku liittyy usein elektronivajaaseen atomiin, mutta todellinen sähkövaraus ei yleensä ole sama luku. Kvanttimekaaninen elektronitiheys jakautuu jatkuvasti sidoksen alueelle.
Harjoitukset
Kromaatti
Mikä on Cr:n hapetusluku ionissa CrO₄²⁻?
Ratkaisu
O = −2, yhteensä −8. x − 8 = −2, joten Cr = +6.
Hydridi
Mikä on vedyn hapetusluku NaH:ssa?
Ratkaisu
Na = +1, joten H = −1. Metallihydridi on tärkeä poikkeus tavallisesta H = +1 -säännöstä.
Redox-suunta
Atomin hapetusluku muuttuu +2:sta +5:een. Hapettuuko vai pelkistyykö atomi?
Ratkaisu
Se hapettuu, koska hapetusluku kasvaa kolmella; elektronikirjanpidossa tämä vastaa kolmen elektronin menetystä.