Buzz
Mức độ oxy hóa hay số oxy hóa (hai khái niệm không hoàn toàn giống nhau) là số xác định mức độ oxy hóa của nguyên tử trong một nguyên tố hóa học khi ở trong hợp chất. Con số này đại diện cho điện tích giả định của nguyên tử nếu giả thiết rằng mọi liên kết trong phân tử đều là liên kết ion. Số oxy hóa thường là số nguyên, có thể dương, âm hoặc bằng 0. Trong một số trường hợp, số oxy hóa có thể là phân số, ví dụ như sắt có số oxy hóa là 8/3 trong hợp chất oxit sắt từ (Fe3O4). Số oxy hóa cao nhất là +8 (xuất hiện ở các nguyên tố rutheni, xenon, osmi và iriđi trong các hợp chất tetroxit của chúng) và thấp nhất là -4 (thấy ở một số nguyên tố thuộc nhóm cacbon).
Trong phản ứng oxy hóa khử, số oxy hóa của nguyên tử thay đổi. Khi số oxy hóa giảm, quá trình này gọi là sự khử; khi số oxy hóa tăng, quá trình này gọi là sự oxy hóa.
Quy tắc để xác định số oxy hóa cho nguyên tử của nguyên tố như sau:
- Số oxy hóa của nguyên tố trong dạng đơn chất bằng 0.
- Tổng số oxy hóa của các nguyên tố trong một phân tử bằng 0.
- Đối với các ion đơn nguyên tử, số oxy hóa của nguyên tố bằng với điện tích của ion đó. Trong các ion đa nguyên tử, tổng số oxy hóa của các nguyên tố bằng với điện tích của ion.
- Trong hầu hết các hợp chất, số oxy hóa của hydro là +1, ngoại trừ trong hydride kim loại (như natri hydride NaH, calci hydride CaH2). Số oxy hóa của oxy là -2, ngoại trừ trong oxy fluoride OF2 và peroxide (như hydro peroxide H2O2).
Trạng thái oxy hóa của các nguyên tố
| Nhóm | IA | IIA | IIIA | IVA | VA | VIA | VIIA | VIIIA | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Chu kì | ||||||||||||||||||
| 1 | H | He | ||||||||||||||||
| -1,0,1 | 0 | |||||||||||||||||
| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | -4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4 | -3,1,2,3,4,5 | -2,-1,-1/2,0,-1/3,1,2 | -1,0
|
0 | |||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||
| 0,1 | 0,2 | IIIB | IVB | VB | VIB | VIIB | VIIIB | IB | IIB | 0,3 | 0,4 | -3,0,1,3,4,5 | -2,-1,0,1,2,4,6 | -1,0,1,3,4,5,7 | 0 | |||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,2,3,4 | 0,2,3,4,5 | 0,2,3,4,6 | 0,2,3,4,5,6,7 | 0,2,3,4,5,6 | 0,2,3,4 | 0,2,3,4 | 0,1,2 | 0,2 | 0,3 | 0,2,4 | -3,0,3,5 | -2,0,4,6 | -1,0,1,3,4,5,7 | 2,4 | |
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe |
| 1 | 2 | 0,3 | 0,2,3,4 | 2,3,4,5 | 2,3,4,5,6 | 0,3,4,5,6,7 | 0,3,4,5,6,8 | 0,2,3,4 | 0,2,3,4 | 0,1,2 | 0,2 | 0,1,3 | 0,2,4 | -3,3,4,5 | -2,2,4,6 | -1,0,1,3,5,7 | 4 | |
| 6 | Cs | Ba | La* | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| 1 | 0,2 | 0,3 | 0,2,3,4 | 2,3,4,5 | 0,2,3,4,5,6 | 0,2,3,4,5,6,7 | 0,2,3,4,6,8 | 0,2,3,4,6 | 0,2,3,4,6 | 0,1,3 | 0.1,2 | 0.1,3 | 0,2,4 | 0,3,5 | -2,2,4,6 | -1,1,3,5,7 | 4 | |
| 7 | Fr | Ra | Ac** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ta | Og |
| 1 | 2 | 3 | ||||||||||||||||
| *Họ Lanthanum | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | ||||
| 0,3,4 | 0,3,4 | 0,2,3,4 | 0,3 | 0,2,3 | 0,2,3 | 0,3 | 0,3,4 | 0,3,4 | 0,3 | 0,3 | 0,2,3 | 0,2,3 | 0.3 | |||||
| **Họ Actinium | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | ||||
| 4 | 4,5 | 3,4,5,6 | 3,4,5,6 | 3,4,5,6 | 3,4,5,6 | 3 | 3,4 | 3 | 3 | 3 | 2,3 | 2,3 | 3 |
Quy tắc chung để xác định số oxy hóa mà không cần dùng cấu trúc Lewis
Năm 1990, IUPAC đưa ra các quy tắc sau để xác định số oxy hóa của nguyên tử trong các hợp chất hóa học đơn giản mà không cần sử dụng công thức cấu tạo Lewis:
- Bất kỳ đơn chất nào – dù có cấu tạo gồm hai nguyên tử như khí clo – đều có số oxy hóa bằng 0.
- Trong các ion đơn nguyên tử, số oxy hóa bằng điện tích của ion đó. Ví dụ, anion sulfide S có số oxy hóa là -2; cation Li có số oxy hóa là +1.
- Tổng số oxy hóa của tất cả các nguyên tử trong phân tử hoặc ion đa nguyên tử bằng với điện tích của phân tử (bằng 0) hoặc ion đa nguyên tử đó. Do đó, có thể tính số oxy hóa của một nguyên tố dựa vào số oxy hóa của các nguyên tố khác.
- Tổng số oxy hóa của tất cả các nguyên tử trong một phân tử bằng 0. Ví dụ, xét phân tử hợp chất carbon dioxide CO
2. Trong phân tử này, oxy có số oxy hóa là -2. Từ đó có thể tính ra số oxy hóa của cacbon là +4 từ phương trình số oxy hóa (C) + 2(-2) = 0. - Tổng số oxy hóa của các nguyên tử trong một ion đa nguyên tử bằng với tổng điện tích của ion đó. Ví dụ, xét anion S (trong công thức SO3). Theo quy tắc, tổng số oxy hóa ở đây phải là -2, từ đó suy ra số oxy hóa của lưu huỳnh là +4 thông qua phương trình số oxy hóa (S) + 3(-2) = -2.
Một số nguyên tố gần như luôn có một trạng thái oxy hóa nhất định (do có khả năng mất electron hoặc hút electron rất cao). Do đó, khi kết hợp điều này với các quy tắc trên, ta có thể xác định trạng thái oxy hóa của các nguyên tố khác (ví dụ kim loại chuyển tiếp) trong hợp chất hóa học đơn giản.
Dưới đây là một số quy tắc khác có thể sử dụng ban đầu để xác định trạng thái oxy hóa của nguyên tử của một số nguyên tố trong hợp chất đơn giản:
- Flo có trạng thái oxy hóa là -1 do khả năng hút electron mạnh nhất.
- Các nguyên tố nhóm halogen (trừ flo) có trạng thái oxy hóa là -1, trừ khi liên kết với oxy, nitơ hoặc các halogen khác có khả năng hút electron mạnh hơn. Ví dụ, trong hợp chất brom chloride (BrCl), trạng thái oxy hóa của clo là -1, nhưng trong hợp chất clo fluoride (ClF), trạng thái oxy hóa của clo là +1 (do flo hút electron mạnh hơn clo).
- Hydro có trạng thái oxy hóa là +1 trừ khi liên kết với các nguyên tố có khả năng mất electron mạnh hơn như natri, nhôm và bo, ví dụ NaH, NaBH4 và LiAlH4 (hydro có trạng thái oxy hóa là -1).
- Oxy trong hợp chất thường có trạng thái oxy hóa là -2, mặc dù có ngoại lệ như OF2 và peroxide như H2O2.
- Kim loại kiềm có trạng thái oxy hóa là +1 trong hầu hết các hợp chất, trừ hợp chất alkalide (trong đó kim loại kiềm đóng vai trò là anion).
- Kim loại kiềm thổ có trạng thái oxy hóa là +2 trong hầu hết các hợp chất có mặt chúng.
Quy tắc chung để xác định trạng thái oxy hóa sử dụng cấu trúc Lewis
Có hai cách thông dụng để tính toán trạng thái oxy hóa của nguyên tử. Cách thứ nhất là tính toán đại số như đã nêu trên, áp dụng cho các hợp chất hóa học đơn giản không cần cấu trúc Lewis. Cách thứ hai áp dụng cho các phân tử có cấu trúc Lewis.
Nên nhớ rằng trạng thái oxy hóa của nguyên tử không đại diện cho điện tích 'thực' của nguyên tử đó: điều này đặc biệt đúng với các trạng thái oxy hóa cao khi năng lượng ion hóa cần thiết để tạo ra một ion dương lớn hơn nhiều so với năng lượng của phản ứng hóa học. Mặc dù việc gán electron cho các nguyên tử để tính toán trạng thái oxy hóa chỉ mang tính hình thức, nhưng việc này lại hữu ích để hiểu nhiều phản ứng hóa học.
Cấu trúc Lewis
Nếu phân tử có cấu trúc Lewis, có thể gán trạng thái oxy hóa bằng cách tính chênh lệch giữa số electron hóa trị của nguyên tử trung hòa và số electron 'thuộc' về nguyên tử đó trong cấu trúc Lewis. Để tính trạng thái oxy hóa, số electron liên kết giữa các nguyên tử khác nhau được gán cho nguyên tử có khả năng hút electron mạnh hơn; còn số electron liên kết giữa các nguyên tử cùng loại thì được chia đều; electron trong cặp lẻ thuộc về nguyên tử có cặp lẻ đó.
Ví dụ, xét trường hợp axit axetic:
Nguyên tử cacbon trong nhóm metyl có 6 electron hóa trị thuộc về nó vì cacbon có khả năng hút electron mạnh hơn hydro. Sau đó, nguyên tử cacbon này nhận thêm 1 electron từ liên kết với nguyên tử cacbon khác (C–C) do số electron liên kết giữa các nguyên tử cùng loại được chia đều. Như vậy, tổng cộng nguyên tử cacbon này có 7 electron. Một nguyên tử cacbon trung hòa về điện chỉ có 4 electron hóa trị, nên mức chênh lệch là 4 − 7 = -3. Theo cấu trúc Lewis, trạng thái oxy hóa của nguyên tử cacbon này là -3, nghĩa là nếu tất cả các liên kết trong hợp chất này đều là liên kết ion (dù thực tế không phải vậy) thì nguyên tử này được ký hiệu C.
Áp dụng quy tắc trên cho nguyên tử cacbon trong gốc axit, ta thu được trạng thái oxy hóa của nó là +3; áp dụng cho nguyên tử oxy, ta thu được trạng thái oxy hóa là -2.
