普通化學/氧化還原反應/氧化態

氧化態 用於確定元素在鍵合時所經歷的氧化或還原程度。 化合物的氧化態是化合物中所有原子的氧化態之和，除非化合物是離子化合物，否則其等於零。

分子中原子氧化態是指，如果鍵合完全是離子鍵，那麼它將具有的電荷，即使共價鍵實際上並不產生帶電離子。

符號方法

氧化態寫在元素或元素組的上方（在繪製分子時），或者在命名元素時用羅馬數字括起來。

示例

${\begin{matrix}_{0}\\Al\end{matrix}}$	鋁
${\begin{matrix}_{+3}\\Al\end{matrix}}$	鋁(III)，一個離子

確定氧化態

對於單個原子或離子

由於氧化數只是獲得或失去的電子的總和，因此計算單個元素的氧化數很簡單。

示例

${\begin{matrix}_{1}\\K^{+}\end{matrix}}$

${\begin{matrix}_{0}\\Br\cdot \end{matrix}}$

${\begin{matrix}_{1}&_{-1}\\Na&Cl\end{matrix}}$

請注意，離子化合物的氧化態很容易確定。

對於較大的分子

有用提示！
請記住，所有單個氧化態必須加起來等於整個物質的電荷。

雖然共價鍵不會產生電荷，但氧化態仍然很有用。 它們標記了如果物質是離子化合物，那麼電子的假設轉移。 確定共價分子中原子的氧化態在分析“氧化還原”反應時非常重要。 當物質發生反應時，它們在形成產物時可能會轉移電子，因此比較產物和反應物的氧化態可以幫助我們跟蹤電子。

示例

${\begin{matrix}_{+1}&_{-1}\\H&Cl\end{matrix}}$	對於氯化氫
${\begin{matrix}_{2(+1)}&_{-2}\\H_{2}&O\end{matrix}}$	對於水
${\begin{matrix}_{+3}&_{2(-2)}\\Cl&O_{2}\end{matrix}}$	亞氯酸根離子 (注意總電荷)

確定氧化態

確定氧化態是基於瞭解哪些元素除了元素態之外只能有一個氧化態，以及哪些元素除了元素態之外能夠形成多個氧化態。讓我們看看確定氧化態的一些“規則”。

1. 元素的氧化態總是為零。

2. 對於金屬，離子的電荷與氧化態相同。以下金屬只形成一種離子：IA 族、IIA 族、IIIA 族（除 Tl 外）、Zn²⁺、Cd²⁺。

3. 對於單原子陰離子和陽離子，電荷與氧化態相同。

4. 化合物中的氧為-2，除非存在過氧化物。過氧化物離子 O₂²⁻ 中氧的氧化態為-1。

5. 對於含有多原子離子的化合物，使用多原子離子的總電荷來確定陽離子的電荷。這裡有一個方便的方法來確定氧化態。基本上，你將化合物中的電荷視為一個簡單的代數表示式。例如，讓我們確定化合物 KMnO₄ 中元素的氧化態。根據規則 2，我們知道鉀的氧化態為+1。我們現在將“x”分配給 Mn，因為錳可能有多種氧化態。有 4 個氧為-2。化合物的總電荷為零：K Mn O4 +1 x 4(-2)

生成的代數表示式為：1 + x -8 = 0

求解 x 可得到錳的氧化態：x - 7 = 0 x = +7 K Mn O4 +1 +7 4(-2)

假設正在考慮的物種是多原子離子。例如，重鉻酸根離子 (Cr2O72-) 中鉻的氧化態是多少？

如前所述，分配氧的氧化態，已知為-2。由於鉻的氧化態未知，且存在兩個鉻原子，因此為鉻分配代數值 2x：Cr2 O7 2- 2x 7(-2)

建立代數方程來求解 x。由於離子的總電荷為-2，因此表示式設定為-2 而不是 0：2x + 7(-2) = -2

求解 x：2x - 14 = -2 2x = 12 x = +6

離子中的每個鉻的氧化態為+6。讓我們做一個最後的例子，其中涉及多原子離子。假設你需要找到 Fe2(CO3)3 中所有原子的氧化態。這裡有兩個原子，鐵和碳，有不止一種可能的氧化態。如果你不知道碳酸根離子中碳的氧化態會怎樣？事實上，碳的氧化態知識是多餘的。你需要知道的是碳酸根離子的電荷 (-2)。在只考慮鐵離子和碳酸根離子時，建立一個代數表示式：Fe2 (CO3)3 2x 3(-2) 2x - 6 = 0 2x = 6 x = 3

化合物中的每個鐵離子的氧化態為+3。接下來考慮獨立於鐵(III)離子的碳酸根離子：C O3 2- x 3(-2) x - 6 = -2 x = +4

碳的氧化態為+4，每個氧為-2。

指南

確定氧化態並不總是容易，但是有許多指南可以幫助你。本表中的指南按重要性順序排列。任何元素可能達到的最高氧化態是 XeO₄ 中的 +8。

元素	常見氧化態
氟	氟是最具電負性的元素，它的氧化態總是為-1（除了它在 F2 中與自身鍵合時，它的氧化態為 0）。
氫	氫的氧化態總是為+1、-1 或 0。當它與非金屬鍵合時為+1（例如 HCl，鹽酸）。當它與金屬鍵合時為-1（例如 NaH，氫化鈉）。當它在 H2 中與自身鍵合時為 0。
氧	氧在化合物中通常被賦予-2 的氧化數，例如 H2O。例外情況是在過氧化物 (O2-2) 中，它被賦予-1 的氧化數。此外，在 F2O 中，氧被賦予+2 的氧化數（因為氟必須為-1），在 O2 中，它只與自身鍵合，氧化數為 0。
鹼金屬	IA 族金屬的氧化態總是為+1，例如 NaCl。IIA 族金屬的氧化態總是為+2，例如 CaF2。有一些罕見的例外不需要考慮。
鹵素	其他鹵素（Cl、Br、I、As）通常具有-1 的氧化態。當與另一個鹵素鍵合時，它的氧化態將為 0。但是，它們也可以具有+1、+3、+5 或+7 的氧化態。觀察氯化物的家族，你可以看到每個氧化態（Cl2 (0)、Cl- (-1)、ClO- (+1)、ClO2- (+3)、ClO3- (+5)、ClO4- (+7)）。
氮	氮（以及其他 VA 族元素，例如磷，P）通常具有-3（如氨氣，NH3），但可能具有+3（如 NF3）或+5（如磷酸根，PO43-）。
碳	碳可以取任何氧化態，從 CH4 中的-4 到 CF4 中的+4。最好先找到其他元素的氧化態。

一般來說，電負性越強的元素具有負數。使用電負性表，你可以確定化合物中任何原子的氧化態。

週期性

氧化態是另一個週期性趨勢。它們似乎在每個週期中重複一個模式。