Số oxi hóa
Số oxi hóa là một công cụ đếm electron hình thức. Ta giả sử electron trong liên kết được gán hoàn toàn cho nguyên tử âm điện hơn rồi hỏi mỗi nguyên tử mang điện tích nào trong gần đúng ion đó. Công cụ này rất mạnh để theo dõi oxi hóa–khử nhưng không bằng điện tích riêng phần thực của nguyên tử.
Các quy tắc cốt lõi và thứ tự áp dụng
Nguyên tố tự do có số oxi hóa 0; ion đơn nguyên tử có số oxi hóa bằng điện tích. F là −1 trong hợp chất thông thường. O thường −2; H thường +1 với phi kim và −1 trong hiđrua kim loại.
Tổng đại số các số oxi hóa phải bằng điện tích tổng của phân tử hay ion. Thứ tự quy tắc quan trọng: ưu tiên F, kiểm tra ngoại lệ của O và H, rồi dùng điều kiện tổng để tìm giá trị chưa biết.
Ví dụ tính toán
KMnO₄
K=+1 và bốn O cho −8. Gọi Mn=x: +1+x−8=0, nên Mn=+7.
SO₄²⁻
Bốn O tổng −8, ion mang −2 nên S−8=−2 và S=+6.
NH₄⁺
H gắn với phi kim được lấy +1. N+4(+1)=+1 nên N=−3.
Fe₃O₄
Bốn O cho −8 nên tổng số oxi hóa của ba Fe là +8, trung bình +8/3. Mô tả ion hữu ích gồm một Fe²⁺ và hai Fe³⁺, không phải mỗi Fe mang điện tích thật +2,666…
Điện tích hình thức, số oxi hóa và điện tích riêng phần khác nhau
Điện tích hình thức chia đều electron liên kết; số oxi hóa gán chúng cho phía âm điện hơn; điện tích riêng phần đến từ mật độ electron lượng tử thực và thường không nguyên. C trong CO₂ có số oxi hóa +4 nhưng không mang điện tích vật lý +4e.
Số oxi hóa phân số và hỗn hợp
Một giá trị trung bình phân số có thể che giấu các vị trí hóa học khác nhau. Fe₃O₄ thường mô tả bằng Fe²⁺ và Fe³⁺, cho trung bình +8/3. Ở một số chất rắn electron thật sự delocalized, gán một số nguyên cho mỗi nguyên tử chỉ là hình ảnh gần đúng; phổ và từ tính cho thêm thông tin.
Thay đổi số oxi hóa nhận diện phản ứng oxi hóa–khử
Tăng số oxi hóa là oxi hóa; giảm là khử. Trong Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, Zn đi 0→+2 và bị oxi hóa, Cu đi +2→0 và bị khử.
Chất oxi hóa là chất tự bị khử; chất khử là chất tự bị oxi hóa. Theo dõi số oxi hóa tránh nhầm tên hai tác nhân.
Những ngoại lệ quan trọng của quy tắc thường dùng
F luôn được ưu tiên ở −1 trong hợp chất thông thường, nên OF₂ buộc O=+2. O bằng −1 trong H₂O₂ và trung bình −1/2 trong KO₂. H thường +1 với phi kim nhưng bằng −1 trong NaH và CaH₂. Các ngoại lệ này phản ánh cách gán electron theo độ âm điện.
Số oxi hóa trung bình và các vị trí cục bộ
Một trung bình phân số có thể là trung bình của nhiều vị trí nguyên hoặc phản ánh electron delocalized. Không nên quyết định chỉ từ công thức; cấu trúc, phổ và từ tính giúp phân biệt.
Số oxi hóa trong hóa học phối trí và cộng hóa trị
Trong [Fe(CN)₆]⁴⁻, sáu CN⁻ đóng góp −6 và ion phức tổng −4, nên Fe=+2. Với phối tử “không trơ về oxi hóa–khử”, mật độ electron có thể chia giữa kim loại và phối tử; số oxi hóa vẫn hữu ích cho sổ sách nhưng không phải mô tả electron đầy đủ.
Một thuật toán gán có thể lặp lại
① Nguyên tố tự do =0, ion đơn nguyên tử = điện tích. ② Gán F=−1 rồi xử lý O và H với ngoại lệ. ③ Dùng giá trị nhóm thông dụng khi thích hợp. ④ Đặt ẩn là x. ⑤ Cho tổng số oxi hóa bằng điện tích của loài và giải. Viết đại số an toàn hơn đoán.
Số oxi hóa và độ phân cực liên kết có liên hệ nhưng không giống nhau
Trong HCl, số oxi hóa hình thức là H +1, Cl −1 vì electron liên kết được gán cho Cl. Liên kết thật vẫn là cộng hóa trị phân cực và các nguyên tử không mang đủ ±1e. Số oxi hóa là quy ước đếm electron, điện tích riêng phần là thuộc tính của mật độ electron.
Bài tập
1. Ion cromat
Số oxi hóa của Cr trong CrO₄²⁻ là bao nhiêu?
Lời giải
Bốn O cho −8. Gọi Cr=x: x−8=−2 nên Cr=+6.
2. Hiđrua
Số oxi hóa của H trong CaH₂ là bao nhiêu?
Lời giải
Ca là +2 nên hai H phải tổng −2; mỗi H là −1. Đây là ngoại lệ hiđrua kim loại.
3. Hướng oxi hóa–khử
Một nguyên tố đổi từ +3 xuống +2. Đó là oxi hóa hay khử?
Lời giải
Số oxi hóa giảm nên đó là quá trình khử.