Oksidasjonstilstander

Grunnregler og riktig rekkefølge

Et grunnstoff i fri form har oksidasjonstall 0. For et énatomig ion er oksidasjonstallet lik ioneladningen. Summen av oksidasjonstallene er 0 i et nøytralt stoff og lik total ioneladning i et fleratomig ion.

Fluor er −1 i forbindelser. Oksygen er vanligvis −2, men er −1 i peroksider, har gjennomsnittlig −1/2 i superoksider og kan være positivt bundet til fluor. Hydrogen er vanligvis +1 med ikke-metaller, men −1 i metallhydrider.

Gjennomregnede eksempler

KMnO₄

K er +1 og hvert O er −2. For et nøytralt molekyl gir +1 + x + 4(−2) = 0, altså Mn = +7.

SO₄²⁻

Fire oksygen bidrar totalt −8. Siden sulfat har ladning −2, må svovel være +6: x − 8 = −2.

NH₄⁺

Hydrogen er +1. For ammonium blir x + 4(+1) = +1, og nitrogen får derfor oksidasjonstilstand −3.

Fe₃O₄

Med O = −2 bidrar oksygen totalt −8, så de tre Fe-atomene må bidra +8. Gjennomsnittlig oksidasjonstilstand er derfor +8/3. Stoffet inneholder faktisk både Fe²⁺ og Fe³⁺ i krystallstrukturen.

Formell ladning, oksidasjonstilstand og partiell ladning er forskjellige

Formell ladning deler bindingselektroner likt mellom atomene. Oksidasjonstilstand tildeler dem til det mer elektronegative atomet. Partiell ladning beskriver den virkelige, kontinuerlige elektronfordelingen og trenger ikke være et heltall.

Brøktall og blandede oksidasjonstilstander

En brøkverdi er ofte et gjennomsnitt. I superoksid KO₂ er K +1, så de to O-atomene har til sammen −1 og gjennomsnittlig −1/2. Det betyr ikke nødvendigvis at hvert oksygenatom bærer en klassisk lokal oksidasjonstilstand på nøyaktig −1/2.

I faste stoffer som Fe₃O₄ kan et ikke-helt gjennomsnitt komme av at ulike gitterplasser har forskjellige heltallsverdier. Struktur og spektroskopi avgjør om ladningen er lokalisert eller mer delokalisert.

Endring i oksidasjonstilstand identifiserer redoks

Når et atom går til høyere oksidasjonstilstand, er det oksidert i bokføringsforstand; går det til lavere oksidasjonstilstand, er det redusert. Ved å telle endringen kan man balansere elektronoverføring i mange redoksreaksjoner.

Metoden følger elektronregnskapet, men sier ikke alene noe om reaksjonshastighet eller mekanisme. En korrekt balansert redoksligning kan derfor være termodynamisk mulig uten å være rask.

Viktige unntak og nyanser

Gjennomsnittlig oksidasjonstilstand og lokale plasser

Et gjennomsnitt som +8/3 for Fe i Fe₃O₄ kan skjule to kjemisk ulike jernplasser. Når lokal kjemi er viktig, må oksidasjonstilstand kombineres med strukturdata eller spektroskopi.

Oksidasjonstilstand i koordinasjons- og kovalent kjemi

I koordinasjonskomplekser finnes oksidasjonstilstanden til metallet ved å bruke de formelle ladningene til ligandene og kompleksets total-ladning. Kovalente metall–ligand-bindinger gjør ikke denne bokføringen ugyldig, men den er fortsatt en formell modell.

En repeterbar tildelingsalgoritme

Start med total ladning, lås først sikre regler som alkalimetall, fluor og typisk oksygen/hydrogen, og løs deretter den ukjente verdien algebraisk. Kontroller til slutt eksplisitt om stoffet er et peroksid, superoksid eller hydrid.

Oksidasjonstilstand og bindingspolaritet peker ofte samme vei uten å være identiske

Høy positiv oksidasjonstilstand finnes ofte på et atom som er elektronfattig relativt til naboene, men den virkelige ladningen er sjelden lik oksidasjonstallet. Kvantekjemisk elektrontetthet fordeles kontinuerlig over bindingene.

Øvelser

Kromat

Finn oksidasjonstilstanden til Cr i CrO₄²⁻.

Hydrid

Hva er oksidasjonstallet til H i NaH?

Redoksretning

Et atom går fra +2 til +5. Er det oksidert eller redusert?