عدد اکسایش چه چیزی را ثبت می‌کند
عدد اکسایش باری است که اتم در صورتی خواهد داشت که هر پیوند میان اتم‌های متفاوت کاملاً یونی بود و الکترون‌های مشترک به اتم الکترونگاتیوتر نسبت داده می‌شد؛ الکترون‌های مشترک میان اتم‌های یکسان به طور مساوی تقسیم می‌شود. این یک شمارش صوری است، نه بار اندازه‌گیری‌شده. در آب به اکسیژن 2− و به هر هیدروژن 1+ نسبت داده می‌شود، هرچند بارهای جزئی واقعی بسیار کوچک‌ترند.
اکسایش افزایش عدد اکسایش است، که با از دست دادن الکترون متناظر است. کاهش کاهش عدد اکسایش است، یعنی گرفتن الکترون. این دو همیشه با هم رخ می‌دهند، چون الکترون‌های ازدست‌رفته از یک گونه باید توسط گونه‌ای دیگر گرفته شوند. در هر معادله اکسایش–کاهش، افزایش کل عدد اکسایش با کاهش کل آن برابر است و هر روش موازنه بر همین برابری استوار است.
تعیین عدد اکسایش به ترتیب اولویت
قواعد را از بالای فهرست به پایین به کار ببرید. وقتی دو قاعده با هم تعارض دارند، قاعده بالاتر برنده است و آخرین اتم مجهول در فرمول از راه تفاضل پیدا می‌شود.
برای یون دی‌هیدروژن فسفات، H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1، پس P = +5. برای یون تتراتیونات، S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2، پس چهار اتم گوگرد مجموعاً +10 هستند و میانگین +2.5 است. نتیجه کسری یعنی اتم‌های یک عنصر در محیط‌های متفاوتی قرار دارند و عدد گزارش‌شده میانگین است. مگنتیت، Fe₃O₄، میانگین +8/3 دارد چون به ازای هر دو Fe³⁺ یک Fe²⁺ دارد.
- اتم در یک عنصر خالص 0 است (Fe, O₂, S₈).
- یون تک‌اتمی برابر بارش است (Mg²⁺ برابر 2+ و Br⁻ برابر 1− است).
- عددهای اکسایش در یک فرمول با بار کل آن برابر است.
- فلوئور در همه ترکیب‌هایش 1− است.
- فلزهای گروه 1 در ترکیب‌ها 1+ و فلزهای گروه 2 برابر 2+ هستند.
- هیدروژن با نافلزها 1+ و در هیدریدهای فلزی مانند NaH برابر 1− است.
- اکسیژن معمولاً 2− است، اما در پراکسیدها (H₂O₂) برابر 1−، در سوپراکسیدها (KO₂) برابر ½− و در OF₂ برابر 2+ است.
- کلر، برم و ید معمولاً 1− هستند، مگر وقتی به اکسیژن یا به هالوژن سبک‌تر پیوند دارند.
نام‌بردن اکسنده و کاهنده
اکسنده الکترون می‌پذیرد و باعث اکسایش چیز دیگری می‌شود، پس خودش کاهیده می‌شود. کاهنده الکترون می‌دهد و خودش اکسید می‌شود. کل گونه را نام ببرید، نه یک اتم را.
2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l) را در نظر بگیرید. آهن از 2+ به 3+ می‌رسد، پس Fe²⁺ اکسید می‌شود و کاهنده است. اکسیژن از 1− در پراکسید به 2− در آب می‌رسد، پس H₂O₂ کاهیده می‌شود و اکسنده است. هیدروژن در تمام مدت 1+ می‌ماند. دو یون آهن هر کدام یک الکترون از دست می‌دهند و دو اتم اکسیژن پراکسید هر کدام یکی می‌گیرند، پس دو الکترون از دست رفته و دو الکترون گرفته می‌شود.
یک گونه می‌تواند هر دو نقش را بازی کند. در Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O، یک اتم کلر از 0 به 1− و دیگری از 0 به 1+ می‌رود. این نامتناسب‌شدن است و Cl₂ هم اکسنده است و هم کاهنده.
موازنه با نیم‌واکنش در محیط اسیدی
جدا کردن اکسایش از کاهش به شما اجازه می‌دهد هر انتقال الکترون را جداگانه موازنه کنید، سپس نیمه‌ها را طوری ترکیب کنید که الکترون‌ها حذف شوند. آب اتم‌های اکسیژن را تأمین می‌کند و H⁺ اتم‌های هیدروژن را، چون این‌ها گونه‌هایی هستند که واقعاً در آب اسیدی حضور دارند.
مثال حل‌شده 1. در اسید، دی‌کرومات نیتریت را اکسید می‌کند: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. کروم از 6+ به 3+ و نیتروژن از 3+ به 5+ می‌رود. نیم‌واکنش اکسایش: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻، با بار 1− در هر طرف. نیم‌واکنش کاهش: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O، با بار 6+ در هر طرف. شش الکترون با دو اتم کروم که هر کدام سه واحد تغییر می‌کنند می‌خواند.
نیم‌واکنش اکسایش را در 3 ضرب کنید تا هر دو نیمه شامل 6e⁻ باشند، سپس جمع کنید: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. 6H⁺ و 3H₂O را از هر طرف حذف کنید: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. بررسی: Cr 2 و 2؛ N 3 و 3؛ O 7 + 6 = 13 و 9 + 4 = 13؛ H 8 و 8؛ بار −2 + 8 − 3 = +3 و +6 − 3 = +3.
- معادله اسکلتی را به نیم‌واکنش اکسایش و نیم‌واکنش کاهش تقسیم کنید.
- هر عنصر را به جز O و H موازنه کنید.
- O را با افزودن H₂O موازنه کنید، سپس H را با افزودن H⁺.
- بار را با افزودن الکترون به طرف مثبت‌تر موازنه کنید.
- نیمه‌ها را طوری مقیاس دهید که الکترون‌ها برابر شوند، آن‌ها را جمع کنید و هر چه در دو طرف هست حذف کنید.
- اتم‌ها و بار را بررسی کنید و مطمئن شوید الکترونی باقی نمانده است.
تبدیل روش برای محیط بازی
در محیط بازی، OH⁻ فراوان است و معادله نهایی نباید H⁺ داشته باشد. طوری موازنه کنید که گویی محلول اسیدی است، سپس به هر دو طرف OH⁻ کافی اضافه کنید تا هر H⁺ به آب تبدیل شود. افزودن یک گونه یکسان به هر دو طرف معادله را موازنه نگه می‌دارد.
مثال حل‌شده 2. هیپوکلریت در محیط بازی کروم(III) هیدروکسید را به کرومات اکسید می‌کند: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. کروم از 3+ به 6+ و کلر از 1+ به 1− می‌رود. نیم‌واکنش اکسایش: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. نیم‌واکنش کاهش: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. کوچک‌ترین مضرب مشترک 3 و 2 برابر 6 است، پس نیمه اول را دو برابر و نیمه دوم را سه برابر کنید.
جمع و حذف می‌دهد 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. به هر دو طرف 4OH⁻ اضافه کنید؛ در سمت راست، 4H⁺ + 4OH⁻ به 4H₂O تبدیل می‌شود. نتیجه نهایی: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). بررسی: Cr 2 و 2؛ Cl 3 و 3؛ O 6 + 3 + 4 = 13 و 8 + 5 = 13؛ H 6 + 4 = 10 و 10؛ بار 7− در هر طرف.
اشتباه‌های رایج در حساب‌وکتاب اکسایش–کاهش
بیشتر خطاهای اکسایش–کاهش خطاهای حساب‌وکتابی هستند و هر کدام بررسی مشخصی دارند.
به‌عنوان آزمون نهایی، فقط با عددهای اکسایش تأیید کنید که الکترون‌های ازدست‌رفته با الکترون‌های گرفته‌شده برابرند. در مثال حل‌شده 2، دو اتم کروم هر کدام 3 الکترون از دست می‌دهند (در مجموع 6) و سه اتم کلر هر کدام 2 الکترون می‌گیرند (آن هم 6).
- نام‌بردن یک اتم به عنوان عامل: بنویسید Cr₂O₇²⁻ اکسنده است، نه کروم.
- شمردن تغییر برای هر اتم اما نه برای هر فرمول: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ مستلزم 6 الکترون است، نه 3.
- گذاشتن الکترون‌ها در طرف نادرست: آن‌ها در نیم‌واکنش اکسایش فراورده و در نیم‌واکنش کاهش واکنش‌دهنده‌اند. اگر بررسی بار ناموفق بود، ابتدا اینجا را نگاه کنید.
- موازنه اکسیژن با O، O₂ یا O²⁻ به‌جای H₂O. یون‌های اکسید آزاد در آب وجود ندارند.
- ماندن H⁺ در پاسخ محیط بازی، یا فراموش‌کردن حذف آب پس از افزودن OH⁻.
- فرض اینکه اکسیژن همیشه 2− است: پراکسیدها، سوپراکسیدها و پیوندهای O–F را بررسی کنید.
- درهم‌آمیختن نمادگذاری: عدد اکسایش با علامت در ابتدا نوشته می‌شود (+3)؛ بار یون با عدد در ابتدا (3+).
محدودیت‌ها و کاربرد مناسب
- عددهای اکسایش قراردادی صوری هستند، نه بار واقعی اتم‌ها. در برخی مولکول‌های آلی و کمپلکس‌های فلزی، بیش از یک تعیین معقول وجود دارد.
- روش نیم‌واکنش پس از معلوم‌بودن فراورده‌ها معادله را موازنه می‌کند؛ پیش‌بینی نمی‌کند چه فراورده‌هایی تشکیل می‌شوند.
- معادله اکسایش–کاهش موازنه‌شده چیزی درباره مطلوب‌بودن ترمودینامیکی یا سریع‌بودن واکنش نمی‌گوید. پتانسیل‌های کاهشی استاندارد و سینتیک موضوع‌های جداگانه‌اند.