تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
عدد اکسیداسیون، مفهوم مهمی است که اغلب اشتباه محاسبه می‌شود. وجود آن در درک ماهیت واکنش‌های شیمیایی مختلف بسیار مهم است. متن زیر را بخوانید تا بیشتر با مفهوم عدد اکسیداسیون آشنا شوید.
آیا می‌دانستید که کربن 9 حالت مختلف اکسیداسیون دارد (از 4- تا 4+)؟ حالت اکسیداسیون که توسط عدد اکسیداسیون نشان داده می‌شود، مفهومی بسیار مهم در شیمی است، که یکی از اساسی‌ترین اصول شیمی است، و نقش تعیین کننده‌ای در ماهیت بسیاری از واکنش‌ها دارد.
از آن جایی که عدد اکسیداسیون یکی از مفاهیم اساسی است، شاید برخی نتوانند، قوانین گیج کننده‌ی تعیین عدد اکسیداسیون را درک کنند. در این مقاله سعی شده تا یک راهنمای کامل و مفید در مورد مراحل تعیین عدد اکسیداسیون عناصر، ارائه شود. اما در ابتدا، اجازه دهید تا ببینیم، اصلاً عدد اکسیداسیون چیست؟
اکسایش – کاهش، یکی از اصولی‌ترین و رایج‌ترین مفاهیم علم شیمی است که انتقال الکترون‌ها بین دو اتم یا مولکول را نشان می‌دهد.
نام آن مرکب از دو فرآیند یا زیر واکنش است که در آن کاهش یا اکسایش رخ می‌دهد. اکسایش روند از دست دادن الکترون است، در حالی که کاهش، هر چند ممکن است اشتباه به نظر برسد ولی روند به دست آوردن الکترون است. از آن جا که هر دو تای این مفاهیم باید در فرآیندهای اکسایش - کاهش، شرکت داشته باشند، بنا بر این این دو واکنش همیشه باید در ارتباط با یک دیگر صورت گیرند. بهترین مثال قابل فهم در زمینه‌ی اکسایش - کاهش فرآیندهای اسیدی هستند. به عنوان مثال:
در این واکنش، دو زیر واکنش رخ می‌دهد: اکسایش هیدروژن و کاهش کلر. هیدروژن، که دارای یک الکترون تنها، در مدارش هست، آن را از دست می‌دهد و کلر که دارای 17 الکترون در حالت پایدار است، الکترون هیدروژن را می‌گیرد. واکنش نیازمند دو اتم از هر شناساگر است، از آن جا که هیچ کدام از عناصر هیدروژن یا کلر به عنوان عناصر تک اتمی (monatomic) نیستند.
در حال حاضر، ممکن است برای شما این سؤال پیش آمده باشد که چگونه عدد اکسیداسیون منجر به انجام واکنش‌های اکسایش - کاهش می‌شود. خوب همه چیز به صورت بسیار زیبا صورت می‌گیرد!
عدد اکسیداسیون همان چیزی است که به ما می‌گوید شناساگر (عنصری یا ترکیبی که بخشی از واکنش است) در حال کاهش است یا در حال اکسایش. اکسایش و کاهش به طور کلی به عنوان تغییر در تعداد الکترون‌ها تعریف شده، ولی در تعریفی دقیق‌تر به عنوان تغییر در حالت اکسایش تعریف می‌شوند، به این صورت که اگر ماده‌ای اکسید شود، حالت اکسیداسیون آن افزایش می‌یابد. بر عکس، هنگامی که یک ماده کاهش می‌یابد، حالت اکسیداسیون آن کاهش می‌یابد.
به عنوان مثال، در واکنش فوق که بین هیدروژن و کلر اتفاق می‌افتد، از دست دادن الکترون توسط اتم هیدروژن، به حالت اکسیداسیون اتم هیدروژن می‌افزاید و آن را تبدیل به بار مثبت می‌کند، در حالی که به دست آوردن الکترون توسط اتم‌های کلر، حالت اکسیداسیون آن را کاهش می‌دهد و آن را تبدیل به یون منفی می‌کند.
حالا ما یک ایده در مورد عدد اکسیداسیون به دست آورده‌ایم، اجازه دهید تا به قواعد تعیین عدد اکسیداسیون یک ماده‌ی خاص بپردازیم.
(اکسیژن) ، (منیزیم) ، Al (آلومینیوم) ، He (هلیوم) ، (سولفور) دارای عدد اکسیداسیون صفر هستند، چرا که حالت اکسیداسیون اتم‌های تقسیم نا پذیر در شکل گیری مولکول‌ها تغییری نمی‌کند. پیوند بین اتم‌های عناصر یک سان همیشه کووالانسی است، که در آنها الکترون‌های به اشتراک گذاشته شده، بر عکس یون‌ها، از شناساگری به شناساگر دیگر منتقل می‌شود. وجود حالت اکسیداسیون تنها در مورد واکنش‌هایی صدق می‌کند که در آنها پیوندهای یونی وجود داشته باشد.
قانون 2: عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار آن یون‌ها است. به عنوان مثال (یون سدیم که یک الکترون از دست داده است) و (یون آلومینیوم که سه الکترون از دست داده است) و (یون کلر که یک الکترون به دست آورده است ) ، به این ترتیب دارای اعداد اکسیداسیون1+ و 3+ و1- هستند. با این حال، فلزات زیادی می‌توانند با نا فلزات تشکیل یون دهند، به ویژه کربن، گوگرد و آهن، و می‌توانند حالات اکسیداسیون متفاوتی داشته باشند. بنا بر این، هر چند بار الکتریکی برابر حالت اکسیداسیون است، ممکن است در بعضی شرایط تغییر کند.
قانون 3: عدد اکسیداسیون اکسیژن تقریباً همیشه برابر 2- است. تنها زمانی عدد اکسیداسیون اکسیژن تغییر می‌کند که آن بخشی از یک طبقه از ترکیبات به نام پروکسیدها (Peroxides) باشد، که در آن صورت عدد اکسیداسیون برابر 1- خواهد بود.
قانون 4: به طور مشابه، عدد اکسیداسیون هیدروژن تقریباً همیشه برابر 1+ است. تنها زمانی این مقدار تغییر می‌کند که هیدروژن به صورت هیدریدهای دو دویی انتقالی با یک فلز به کار رفته باشد، هیدریدهای فلزی، که فقط در این صورت عدد اکسیداسیون آن برابر 1- می‌شود.
قانون 5: عدد اکسیداسیون در گروه‌های یک سان جدول تناوبی مانند هیدروژن، فلزات قلیایی شامل لیتیم، سدیم و پتاسیم، برابر1 است. تنها زمانی این قانون تغییر می‌کند که فلزات در قالب عنصری باشند که در این صورت عدد اکسیداسیون آنها برابر صفر است.
قانون 6: فلزات قلیایی خاکی مانند منیزیم و کلسیم دارای عدد اکسیداسیون 2+ هستند. مانند قانون قبلی، این قانون نیز در صورتی که فلزات در قالب عنصری باشند، تغییر می‌کند و در این حالت عدد اکسیداسیون آنها برابر صفر است.
قانون 7: مجموع اعداد اکسایش همه‌ی اجزای یک ترکیب خنثی برابر صفر است. این قانون در به دست آوردن عدد اکسایش یک عنصر خاص در یک ترکیب مفید است. به عنوان مثال، اگر ترکیب پایدار (اسید سولفوریک) را در نظر بگیرید، ما می‌دانیم که عدد اکسایش هیدروژن و اکسیژن در این ترکیب به صورت زیر است:
6- = (2-)4 + (1)2
بنا بر این، برای این که در حالت تعادل باشد، باید عدد اکسیداسیون سولفور برابر 6+ باشد، که تنها یکی از حالات اکسیداسیون آن است. سولفور در حالات اکسیداسیون 4+ و 2+ نیز یافت می‌شود.
قانون 8: درست مانند قانون قبلی، عدد اکسیداسیون خالص یک یون چند اتمی نیز برابر با بار روی آن است. این قانون نیز در حقیقت همان قانون قبلی است، با این تفاوت که این قانون به ترکیبات دارای بار الکتریکی می‌پردازد در صورتی که قانون قبلی به ترکیبات پایدار الکتریکی و خنثی. به عنوان مثال، اگر ما یون باردار را در نظر بگیریم، که بار آن برابر 2- است، معادله‌ای به صورت زیر خواهیم داشت:
2- = (2-)4 + (6+)1
استفاده از این نوع معادلات جبری، بهترین راه برای به دست آوردن عدد اکسیداسیون عناصر نا شناخته است.
این‌ها قواعد مهم در تعیین عدد اکسایش بود. حالا که این قواعد را فرا گرفته‌اید، به درک بهتری نسبت به مفاهیم گیج کننده‌ی اکسایش و کاهش دست یافته‌اید و توانایی محاسبه‌ی عدد اکسایش را دارید. به عنوان مثال، اجازه دهید واکنش جا به جایی‌های فلزی استاندارد را در نظر بگیریم:
در این واکنش، مینی واکنش‌های اکسایش و کاهش به شرح زیر است:
از آن جایی که حالت اکسیداسیون روی از0 به 2 تغییر کرده است، این یک معادله‌ی اکسایش است. دو الکترون آزاد شده از اتم روی توسط یون مس در معادله‌ی کاهشی زیر گرفته شده‌اند:
از آن جایی که حالت اکسیداسیون مس از 2 به 0 تغییر کرده، این یک واکنش کاهشی است.
از آن جایی که عدد اکسیداسیون یکی از مفاهیم اساسی است، شاید برخی نتوانند، قوانین گیج کننده‌ی تعیین عدد اکسیداسیون را درک کنند. در این مقاله سعی شده تا یک راهنمای کامل و مفید در مورد مراحل تعیین عدد اکسیداسیون عناصر، ارائه شود. اما در ابتدا، اجازه دهید تا ببینیم، اصلاً عدد اکسیداسیون چیست؟
عدد اکسیداسیون چیست؟
عدد اکسیداسیون یک اتم را به سادگی می‌توان توسط الکترون‌های واکنش اکسایش نشان داد. یک واکنشاکسایش – کاهش، یکی از اصولی‌ترین و رایج‌ترین مفاهیم علم شیمی است که انتقال الکترون‌ها بین دو اتم یا مولکول را نشان می‌دهد.
نام آن مرکب از دو فرآیند یا زیر واکنش است که در آن کاهش یا اکسایش رخ می‌دهد. اکسایش روند از دست دادن الکترون است، در حالی که کاهش، هر چند ممکن است اشتباه به نظر برسد ولی روند به دست آوردن الکترون است. از آن جا که هر دو تای این مفاهیم باید در فرآیندهای اکسایش - کاهش، شرکت داشته باشند، بنا بر این این دو واکنش همیشه باید در ارتباط با یک دیگر صورت گیرند. بهترین مثال قابل فهم در زمینه‌ی اکسایش - کاهش فرآیندهای اسیدی هستند. به عنوان مثال:
در این واکنش، دو زیر واکنش رخ می‌دهد: اکسایش هیدروژن و کاهش کلر. هیدروژن، که دارای یک الکترون تنها، در مدارش هست، آن را از دست می‌دهد و کلر که دارای 17 الکترون در حالت پایدار است، الکترون هیدروژن را می‌گیرد. واکنش نیازمند دو اتم از هر شناساگر است، از آن جا که هیچ کدام از عناصر هیدروژن یا کلر به عنوان عناصر تک اتمی (monatomic) نیستند.
عدد اکسیداسیون همان چیزی است که به ما می‌گوید شناساگر (عنصری یا ترکیبی که بخشی از واکنش است) در حال کاهش است یا در حال اکسایش. اکسایش و کاهش به طور کلی به عنوان تغییر در تعداد الکترون‌ها تعریف شده، ولی در تعریفی دقیق‌تر به عنوان تغییر در حالت اکسایش تعریف می‌شوند، به این صورت که اگر ماده‌ای اکسید شود، حالت اکسیداسیون آن افزایش می‌یابد. بر عکس، هنگامی که یک ماده کاهش می‌یابد، حالت اکسیداسیون آن کاهش می‌یابد.
به عنوان مثال، در واکنش فوق که بین هیدروژن و کلر اتفاق می‌افتد، از دست دادن الکترون توسط اتم هیدروژن، به حالت اکسیداسیون اتم هیدروژن می‌افزاید و آن را تبدیل به بار مثبت می‌کند، در حالی که به دست آوردن الکترون توسط اتم‌های کلر، حالت اکسیداسیون آن را کاهش می‌دهد و آن را تبدیل به یون منفی می‌کند.
حالا ما یک ایده در مورد عدد اکسیداسیون به دست آورده‌ایم، اجازه دهید تا به قواعد تعیین عدد اکسیداسیون یک ماده‌ی خاص بپردازیم.
تعیین عدد اکسایش:
قانون 1: حالت اکسیداسیون عناصر ترکیب نشده، که بار الکتریکی ندارند، همواره صفر است. این موضوع به استثناء این که این عنصر به عنوان یک اتم یا مولکول چند اتمی (polyatomic) باشد، درست است. این موضوع به این معنی است که
(اکسیژن) ، 
(منیزیم) ، Al (آلومینیوم) ، He (هلیوم) ، 
(سولفور) دارای عدد اکسیداسیون صفر هستند، چرا که حالت اکسیداسیون اتم‌های تقسیم نا پذیر در شکل گیری مولکول‌ها تغییری نمی‌کند. پیوند بین اتم‌های عناصر یک سان همیشه کووالانسی است، که در آنها الکترون‌های به اشتراک گذاشته شده، بر عکس یون‌ها، از شناساگری به شناساگر دیگر منتقل می‌شود. وجود حالت اکسیداسیون تنها در مورد واکنش‌هایی صدق می‌کند که در آنها پیوندهای یونی وجود داشته باشد.قانون 2: عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار آن یون‌ها است. به عنوان مثال
(یون سدیم که یک الکترون از دست داده است) و 
(یون آلومینیوم که سه الکترون از دست داده است) و 
(یون کلر که یک الکترون به دست آورده است ) ، به این ترتیب دارای اعداد اکسیداسیون1+ و 3+ و1- هستند. با این حال، فلزات زیادی می‌توانند با نا فلزات تشکیل یون دهند، به ویژه کربن، گوگرد و آهن، و می‌توانند حالات اکسیداسیون متفاوتی داشته باشند. بنا بر این، هر چند بار الکتریکی برابر حالت اکسیداسیون است، ممکن است در بعضی شرایط تغییر کند.قانون 3: عدد اکسیداسیون اکسیژن تقریباً همیشه برابر 2- است. تنها زمانی عدد اکسیداسیون اکسیژن تغییر می‌کند که آن بخشی از یک طبقه از ترکیبات به نام پروکسیدها (Peroxides) باشد، که در آن صورت عدد اکسیداسیون برابر 1- خواهد بود.
قانون 4: به طور مشابه، عدد اکسیداسیون هیدروژن تقریباً همیشه برابر 1+ است. تنها زمانی این مقدار تغییر می‌کند که هیدروژن به صورت هیدریدهای دو دویی انتقالی با یک فلز به کار رفته باشد، هیدریدهای فلزی، که فقط در این صورت عدد اکسیداسیون آن برابر 1- می‌شود.
قانون 5: عدد اکسیداسیون در گروه‌های یک سان جدول تناوبی مانند هیدروژن، فلزات قلیایی شامل لیتیم، سدیم و پتاسیم، برابر1 است. تنها زمانی این قانون تغییر می‌کند که فلزات در قالب عنصری باشند که در این صورت عدد اکسیداسیون آنها برابر صفر است.
قانون 6: فلزات قلیایی خاکی مانند منیزیم و کلسیم دارای عدد اکسیداسیون 2+ هستند. مانند قانون قبلی، این قانون نیز در صورتی که فلزات در قالب عنصری باشند، تغییر می‌کند و در این حالت عدد اکسیداسیون آنها برابر صفر است.
قانون 7: مجموع اعداد اکسایش همه‌ی اجزای یک ترکیب خنثی برابر صفر است. این قانون در به دست آوردن عدد اکسایش یک عنصر خاص در یک ترکیب مفید است. به عنوان مثال، اگر ترکیب پایدار
(اسید سولفوریک) را در نظر بگیرید، ما می‌دانیم که عدد اکسایش هیدروژن و اکسیژن در این ترکیب به صورت زیر است:6- = (2-)4 + (1)2
بنا بر این، برای این که
در حالت تعادل باشد، باید عدد اکسیداسیون سولفور برابر 6+ باشد، که تنها یکی از حالات اکسیداسیون آن است. سولفور در حالات اکسیداسیون 4+ و 2+ نیز یافت می‌شود.قانون 8: درست مانند قانون قبلی، عدد اکسیداسیون خالص یک یون چند اتمی نیز برابر با بار روی آن است. این قانون نیز در حقیقت همان قانون قبلی است، با این تفاوت که این قانون به ترکیبات دارای بار الکتریکی می‌پردازد در صورتی که قانون قبلی به ترکیبات پایدار الکتریکی و خنثی. به عنوان مثال، اگر ما یون باردار
را در نظر بگیریم، که بار آن برابر 2- است، معادله‌ای به صورت زیر خواهیم داشت:2- = (2-)4 + (6+)1
استفاده از این نوع معادلات جبری، بهترین راه برای به دست آوردن عدد اکسیداسیون عناصر نا شناخته است.
این‌ها قواعد مهم در تعیین عدد اکسایش بود. حالا که این قواعد را فرا گرفته‌اید، به درک بهتری نسبت به مفاهیم گیج کننده‌ی اکسایش و کاهش دست یافته‌اید و توانایی محاسبه‌ی عدد اکسایش را دارید. به عنوان مثال، اجازه دهید واکنش جا به جایی‌های فلزی استاندارد را در نظر بگیریم:
در این واکنش، مینی واکنش‌های اکسایش و کاهش به شرح زیر است:
از آن جایی که حالت اکسیداسیون روی از0 به 2 تغییر کرده است، این یک معادله‌ی اکسایش است. دو الکترون آزاد شده از اتم روی توسط یون مس در معادله‌ی کاهشی زیر گرفته شده‌اند:
از آن جایی که حالت اکسیداسیون مس از 2 به 0 تغییر کرده، این یک واکنش کاهشی است.
/ج