Oxidációs szám

A kémikusok az oxidációs számot (vagy oxidációs állapotot) használják arra, hogy követni tudják, hogy az atomnak mennyi elektronja van. Az oxidációs szám nem mindig tükrözi a molekula tényleges töltését, de a kovalens (és ionos) kötésben résztvevő atomok oxidációs számát ki tudjuk belőle számolni.

Gyakoroljuk az oxidációs szám meghatározását néhány példán keresztül!

Az oxidációs szám megadásánál elsőként az előjelet ($+$plus vagy $-$minus), majd a számértéket kell megadnunk, éppen fordítva, mint az ionok töltésénél. A kémikusok a következő szabályokat alkalmazzák az oxidációs szám meghatározásához:

$1.~$1, point, spaceszabály Az atomok oxidációs száma elemi állapotban $0$0.

$2.~$2, point, spaceszabály Egyatomos ionok esetében az atom oxidációs száma megegyezik az ion töltésével.

$3.~$3, point, spaceszabály Vegyületekben: a fluor oxidációs száma $−1$−, 1; az oxigéné általában $−2$−, 2 (kivéve a peroxidokat, ahol $−1$−, 1, és a fluoriddal alkotott kétkomponesű vegyületeket, ahol pozitív); a hidrogén oxidációs számát általában $+1$plus, 1-nek vehetjük, kivéve, amikor hidridionként, $\text{H}^−$start text, H, end text, start superscript, −, end superscript, van jelen, ekkor ugyanis a $2$2. szabály érvényesül.

$4.~$4, point, spaceszabály Több atomból álló atomcsoportban (vegyületek, összetett ionok), a fenti szabályokban említett atomokon kívül minden más atom oxidációs száma annyi lesz, hogy az oxidációs számokat összeadva az összeg az atomcsoport töltését adja.

Általában az $1$1. szabállyal kezdünk, és onnan haladunk tovább a listán, amíg készen nem vagyunk. Ezt a sorrendet követve először az egyszerű atomok oxidációs állapotát határozzuk meg, majd a bonyolultabb esetekre is alkalmazzuk.

Példa: Mennyi a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript-ben és a $\text H_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text-ben a hidrogénatom oxidációs száma?

$\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript: Itt az $1$1. szabályt hívhatjuk segítségül. Mivel a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript elemi állapotban van, az oxidációs száma $0$0.

$\text H_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text: Az $1$1. és $2$2. szabály itt nem alkalmazható, így átugorhatjuk őket. A $3$3. szabály szerint a hidrogén oxidációs száma általában $+1$plus, 1, kivéve a hidrideket. Itt nem hidriddel van dolgunk, de ha nem vagyunk biztosak benne, hogy a hidrogénünknek $+1$plus, 1 vagy $-1$minus, 1 az oxidációs száma, akkor ellenőrzésként használhatjuk a $4$4. szabályt.

A $4$4. szabály szerint a több atomból álló atomcsoportban előforduló oxidációs számok összege megegyezik az atomcsoport töltésével, és a $3$3. szabály szerint az oxigén oxidációs száma általában $-2$minus, 2. A víz semleges vegyület, tehát az oxidációs számok összegeként $0$0-t kell kapnunk. Amennyiben a hidrogén oxidációs számát $-1$minus, 1-nek vesszük, mert azt gondoljuk, hogy hidrid, az oxidációs számok összegeként a következőt kapjuk:

Ez nem tűnik megfelelőnek! Ezzel szemben ha $+1$plus, 1-nek vesszük a hidrogén oxidációs számát, összegként azt kapjuk, hogy: $(-2 \cdot 1)+(+1 \cdot 2) = 0$left parenthesis, minus, 2, dot, 1, right parenthesis, plus, left parenthesis, plus, 1, dot, 2, right parenthesis, equals, 0, éppen azt, amit semleges molekula esetén várunk. Így a $3$3. és $4$4. szabály használatával kimondhatjuk, hogy a $\text H_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text-ben a hidrogén oxidációs száma $+1$plus, 1.

A szabályok segítségével most már meg tudjuk határozni az oxidációs számokat. Ez szuper, de miért lenne erre szükségünk? Hiszen ezek gyakorlatilag képzeletbeli számok!

A kémikusok számára általában azért érdekes az elektronok útját követni, mert tudni szeretnének arról, ha elektron kerül át az egyik atomról a másikra. A fenti példában láthattuk, hogy a hidrogén oxidációs állapota a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript-ben és a $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text-ben különbözik. Ha összehasonlítjuk az oxidációs állapotokat, megállapíthatjuk, hogy a vízben lévő hidrogénnek kevesebb elektronja van, mint az elemi hidrogénnek.

Itt látható az a reakció, amely során a hidrogéngázból és oxigéngázból víz képződik:

Látni fogjuk, hogy ez a reakció nem csupán a kötések felbomlását, és új kötések kialakulását írja le, hanem magába foglalja azt is, hogy a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript elektront ad le. A kémikusok szakszavakat használnak a jelenség leírására, ami során elektronleadás vagy -felvétel történik:

Oxidáció során az atom egy vagy több elektront ad le. Ha egy elem oxidációs száma növekszik, az azt jelenti, hogy elektronleadás történik, és az elem oxidálódik. A fenti reakcióban a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript oxidálódik, hiszen elektront ad le annak érdekében, hogy létrejöhessen a $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text. Az elektronleadás egyértelműen következik abból, hogy az oxidációs szám $0$0-ról $+1$plus, 1-re változik: mivel a hidrogénatom lead egy elektront (aminek negatív töltése van), az oxidációs szám növekszik.

Redukció során az atom egy vagy több elektront vesz fel. Ha egy elem oxidációs száma csökken, az azt jelenti, hogy elektronfelvétel történik, és az elem redukálódik. A víz keletkezésének reakciójában az $\text O_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript redukálódik, hiszen minden egyes oxigénatom oxidációs száma $0$0-ról $-2$minus, 2-re csökkent azáltal, hogy $2$2-$2$2 negatív töltésű elektront vett fel.

Íme néhány módszer, aminek segítségével könnyebben megjegyezheted, hogy mit foglal magába az oxidáció és redukció:

$1.~$1, point, spaceOEL REF: "Oxidáció Elektron Leadás" és "Redukció Elektron Felvétel"

$2. A ~$2, point, A, spaceLEOpárd FERtelmes harapása: "Leadott Elektron az Oxidáció" és "Felvett Elektron a Redukció"

Az oxidálószer és redukálószer fogalma szorosan összekapcsolódik az oxidációval és redukcióval.

A redukálószer, vagy redukáló ágens elektront ad le, és emiatt oxidálódik a kémiai reakcióban. Példánkban a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript viselkedik redukálószerként a reakcióban, mivel oxidálódik, és az $\text O_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript redukcióját okozza.

Az oxidálószer, vagy oxidáló ágens elektront vesz fel, és emiatt redukálódik a kémiai reakcióban. Az $\text O_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript oxidálószerként viselkedik a reakciónkban, mivel ez a felelős a redukálószer, a $\text H_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript oxidációjáért.

További példákat ebben az oxidációról és redukcióról szóló videóban, és ebben az oxidálószerekről és redukálószerekről szóló videóban láthatsz.

Azokat a kémiai reakciókat, melyek során elektronátmenet játszódik le, oxidáció-redukciónak vagy redoxireakciónak nevezzük. Az oxidációs állapot megváltozása utal arra, hogy elektronátmenet történt. A redoxireakciók esetén redukció és oxidáció is lejátszódik.

Számos reakciótípus, mint például az égés, az egyszerű helyettesítés, néhány szintézis és bomlási reakció mind-mind redoxireakció. Az oxidációs számok és redoxireakciók fontos részét képezik a haladó szintű kémiai tanulmányoknak, mint például a biokémiának, elektrokémiának, szerves kémiának vagy szervetlen kémiának. Ebben a fejezetben nem bocsátkozunk további részletekbe a redoxireakciókkal kapcsolatban, de ne feledd, hogy mennyire hasznos lesz később is, ha magabiztosan bánsz az oxidációs számokkal!

A kémikusok arra használják az oxidációs számokat, hogy elektronok útját kövessék a vegyületekben. A vegyületben jelen lévő atomok oxidációs számának meghatározásához különböző szabályokat alkalmazhatunk. A reakció során az oxidációs állapot megváltozása jelzi, hogy elektronátmenet történt. Azokat a reakciókat, amelyek elektronátmenettel járnak, redoxireakcióknak nevezzük. Ezek redukcióval (elektronfelvétellel) és oxidációval (elektronleadással) járnak. A redukálódó anyag az oxidálószer, az oxidálódó a redukálószer.