عدد اکسایش و چگونه تعیین شدن آن

عدد اکسایش چیست و چگونه تعیین می شود ؟
عدد اکسایش (oxidation number) یک اتم در یک ترکیب شیمیایی به مجموع بارها ی الکتریکی ظاهری که به آن اتم نسبت داده شده است گفته می شود.

البته توجه داشته باشید که این تعریف با فرض اینکه پیوند ها یونی می باشند کاربرد دارد. در ترکیبات کووالانسی بر اساس یکسری قواعد اختیاری، اعداد اکسایش را تعیین می کنند. در واقع عدد اکسایش نحوه شکسته شدن یک پیوند شیمیایی را در طی انجام واکنش تعیین می کند.

تاریخچه:
عدد اکسایش برای نخستین بار توسط چالزکی یورگنسن در هنگام مطالعه بر روی کربن بیان شد. وی یکسان نبودن کربن در دو مولکول مختلف را به اعداد اکسایش و حالت های مختلف اکسایش ربط داد.

متخصصان شیمی معدنی در واکنش های اکسایش کاهش از این اعداد استفاده می کنند. همچنین این اعداد در شیمی کوئوردینانسیون برای طبقه بندی فلزات واسطه کاربرد دارد. در شیمی آلی تفاوت کربن در مولکول های مختلف (مثلا CH4 و C2H6) باعث استفاده از اعداد اکسایش شده است.

تعیین اعداد اکسایش:
اعداد اکسایش در واقع نشان دهنده اینست که یک اتم در مقابل اتم های نزدیک خود در یک ترکیب دارای چه مقدار بار مثبت و یا بار منفی می باشد. در پیوند های یونی، الکترون به طور کامل از یک اتم به اتم مجاور منتقل می شود. بنابراین می توان گفت که عدد اکسایش یک اتم در این گونه پیوند ها برابر با همان تعداد الکترونی است که جا به جا شده است.

به بیان دیگر، در یک ترکیب یونی فلزات به اندازه ظرفیت خود در ترکیب، بار مثبت و غیر فلزات نیز به اندازه ظرفیت خود بار منفی می گیرند. این بارها همان اعداد اکسایش آنها می باشد. به عنوان مثال در ترکیب یونی NaCl، اتم سدیم یک الکترون از دست می دهد (Na → Na+ + e) و دارای عدد اکسایش (1+) و اتم کلر یک الکترون می گیرد (-Cl + e → Cl)، بنابراین دارای عدد (1-) می باشند.

از طرفی در ترکیبات کووالانسی (که اشتراک الکترون صورت می گیرد نه انتقال کامل الکترون)، این بارها را نسبی فرض می کنند. در واقع به کمک الکترونگاتیویته اتم ها اعداد اکسایش را تعیین می کنند. در این حالت، هر پیوند را به صورت جداگانه در نظر می گیرند، پس به اتم الکترونگاتیوتر بار منفی و به اتم الکتروپوزتیو بار مثبت نسبت می دهند.

با فرض اینکه بار الکتریکی به طور کامل بین اتم های درگیر در پیوند منتقل شده است، می توان به هر اتم یک بار الکتریکی ظاهری نسبت داد. به این بار الکتریکی ظاهری و نسبی عدد اکسایش آن اتم گفته می شود.

در نتیجه می توان گفت، عدد اکسایش برابر است با تعداد الکترون های ظرفیت اتم در حالت آزاد منهای تعداد الکترون های اتم در مولکول با فرض شکستن پیوند ها به صورت یونی.

روش های تعیین اعداد اکسایش:
برای تعیین اعداد اکسایش اتم ها در ترکیبات، قوانینی وجود دارد که کار را راحت می کند. بنابراین با پیروی از این قوانین می توان عدد اکسایش اتم ها در ترکیبات را تعیین کرد. برای تعیین کردن اعداد اکسایش ترکیبات به ویژه ترکیبات کووالانسی دو راه مختلف وجود داد که عبارتند از:

• 1- استفاده از ساختار الکترون، نقطه ای.
• 2- استفاده از قواعد.

استفاده از ساختار الکترون، نقطه ای:
ساختار الکترون، نقطه ای در مواردی کاربرد دارد که تعداد اتم ها در ترکیب مورد نظر زیاد باشد. همچنین زمانیکه از یک عنصر، چند اتم در ترکیب مورد نظر (مثلا در ترکیبات آلی اتم های کربن با اعداد اکسایش مختلف وجود دارند) باشد از این روش بهره می بریم. برای استفاده از این روش باید چهار مرحله زیر را دنبال کنید.

• 1- ابتدا ساختار الکترون نقطه ای ترکیب مورد نظر رسم می شود.
• 2- تمام پیوند های تشکیل شده در ترکیب، یونی فرض می گردد. بنابراین جفت الکترون پیوندی را به اتم با الکترونگاتیویته بیشتر اختصاص می دهند. اگر پیوند، بین اتم های جور هسته تشکیل شده باشد، به دلیل الکترونگاتیوی یکسان اتم های دو سر پیوند، به هر اتم تنها یکی از الکترون های پیوندی را نسبت می دهند.
• 3- تمام الکترون های غیر پیوندی بر روی هر اتم باقی می ماند.
• 4- در نهایت عدد اکسایش را با کمک رابطه (عدد اکسایش هر اتم برابر است با عدد یکان شماره گروه منهای تعداد الکترون های لایه والانس نسبت داده شده به آن اتم) به دست می آورند.

قواعد تعیین عدد اکسایش:
از این روش معمولا در ترکیبات معدنی و یا ترکیباتی که تعداد اتم های آنها کم باشد استفاده می شود. دانستن مجموعه نکات زیر مهم و الزامی می باشد.

• 1- عدد اکسایش عنصرها در حالت آزاد، اتم های ترکیب نشده و یا اتم هایی که فقط عناصر مولکولی تشکیل داده اند برابر با صفر است. به عنوان مثال اعداد مربوط به P4، Cu، S8، H2 و O2 صفر می باشد.
• 2- عدد اکسایش یون های تک اتمی برابر با بار یون می باشد. برای مثال عدد مس در کاتیون +Cu برابر با 1+ است.
• 3- اعداد اکسایش فلزات همواره مثبت و برابر با ظرفیت آنها می باشد. به عنوان مثال اعداد اکسایش فلزات گروه اول و دوم جدول تناوبی به ترتیب برابر با 1+ و 2+ می باشند.
• 4- اعداد اکسایش در نافلزات اصلی می توانند از شماره گروه تا شماره گروه منهای هشت تغییر کند. مثلا عدد اکسایش اتم نیتروژن که متعلق به گروه پنج اصلی است، می تواند در محدوده 3- تا 5+ تغییر کند.
• 5- عدد اکسایش هیدروژن معمولا برابر با 1+ می باشد. اما در هیدرید های فلزی برابر با 1- می شود. به ترکیباتی که دارای یون هیدرید (-H) باشند، ترکیب هیدرید گفته می شود مانند KH.
• 6- عدد اکسایش فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر) در تمام ترکیبات فلوردار (به استثنای F2) همواره برابر با 1- می باشد.
• 7- عدد اکسایش اکسیژن معمولا برابر با 2- می باشد. در مورد اکسیژن چند مورد استثنا هم وجود دارد که جداگانه به آن می پردازیم.
• 8- عدد اکسایش سایر هالوژن ها (Cl، Br و I) در اغلب ترکیبات برابر با 1- می باشد. اما اگر با عناصری که الکترونگاتیویته بیشتری دارند، پیوند تشکیل دهند می توانند اعداد اکسایش 1+، 3+، 5+ و 7+ نیز داشته باشند.

عناصری وجود دارند که همیشه در ترکیبات خود فقط یک نوع عدد را نشان می دهند. این عناصر به همراه عدد اکسایش آن ها عبارتند از: فلز ات گروه یک اصلی (1+)، فلزات گروه دو اصلی (2+)، فلوئور (1-)، آلومینیوم (3+)، اسکاندیم (3+)، روی (2+) و نقره (1+).

اعداد اکسایش اکسیژن:
همانطور که بیان شد تقریبا در بیشتر موارد، عدد اکسایش اتم اکسیژن 2- می باشد. موارد استثنا در ادامه لیست شده اند.

• 1- عدد اکسایش اکسیژن در پراکسید ها، برابر با 1- می باشد. در این ترکیبات پیوند یگانه اکسیژن - اکسیژن وجود دارد، بنابراین دو اتم اکسیژن هم ارز می باشند. در نتیجه هر یک از دو اتم اکسیژن باید عددی برابر با 1- داشته باشند تا مجموع بار آنها برابر با بار یون شود.
• 2- عدد اکسایش اکسیژن در سوپر اکسید ها، برابر با 0/5- می باشد. ترکیب سوپر اکسید به ترکیبی گفته می شود که در آن رادیکال −O2 وجود دارد. لازم به ذکر است که این اعداد همواره اعدادی صحیح می باشند. اما میانگین اعداد اکسایش چند اتم از یک عنصر ممکن است اعشاری باشد. در سوپراکسید ها عدد اکسایش یک اکسیژن برابر با 1- و عدد اتم دیگر برابر با صفر است، پس میانگین اعداد 1/2- می شود.
• 3- اگر اکسیژن با اتم فلوئور پیوند دهد، از آن جهت که فلوئور الکترونگاتیوترین عنصر جدول تناوبی است، بنابراین عدد اکسایش اکسیژن برابر با 2+ خواهد بود (مثلا مولکول OF2).
• 4- در مولکول O2F2 عدد اکسایش اکسیژن برابر با 1+ می باشد.
• 5- در یون +O2 که به نام دیوکسیژنیل مشهور است، عدد اکسایش اکسیژن برابر با 1/2+ است.

عدد اکسایش عناصر واسطه:
عناصر فلزات واسطه توانایی به دست آوردن اعداد اکسایش متفاوت را دارند. به عنوان مثال معمول ترین اعداد در منگنز برابر با 2+، 3+، 4+، 6+ و 7+ می باشد. این تنوع در عناصر میانی سری عناصر واسطه بیشترین مقدار است.

برای عناصر واسطه نیز همانند سایر عناصر جدول تناوبی، پایین ترین درجه اکسایش برابر با صفر است (در عناصر آزاد که با عنصر دیگری ترکیب نشده اند). علاوه بر آن این عدد در فلزات واسطه خارجی، از صفر تا زمانیکه مجموع الکترون های اوربیتال ها ns و (n-1)d شود تغییر می کند. در واقع داریم:

• مجموع الکترون های ns و (n-1)d ≥ اعداد اکسایش فلزات واسطه خارجی ≥ صفر.

عدد اکسایش ترکیبات خنثی و باردار:
مجموع اعداد اکسایش اتم ها در یک ترکیب خنثی برابر با صفر می باشد، زیرا ترکیبات از نظر بار الکتریکی خنثی می باشند. درحالی که این اعداد در یک یون برابر با بار یون است. با کمک این دو اصل می توان عدد اکسایش اتم مورد نظر را محاسبه کرد. به عنوان نمونه عددهای اتم های کلر و کروم در دو ترکیب زیر به دست آمده است.

• HClO3 → (+1) +X + 3(-2) =0 X =+5.
• Cr2O7 2-→ 2(X) +7(-2) = -2 X =+6.

اعداد اکسایش کربن در ترکیبات آلی:
اگر اتم کربن به اتم های F، O، N و Cl پیوند داده باشد، به دلیل الکترونگاتیویته کمتر اتم کربن نسبت به این اتم ها، به ازای هر پیوند یک 1+ برای اتم کربن در نظر می گیریم. درحالی که اگر کربن با هر عنصر دیگری پیوند داده باشد، به ازای هر پیوند یک 1- برای اتم کربن در نظر گرفته می شود.

ذکر این نکته خالی از لطف نیست که بدانید عدد اکسایش اتم کربن موجود در متانول برابر با 2-، در تمام انواع الکل های نوع اول 1-، در الکل های نوع دوم برابر با صفر و در الکل های نوع سوم 1+ می باشد. به طور کلی اعداد اکسایش اتم کربن در ترکیبات در بازه 4+ تا 4- قرار دارد. 

محاسبه عدد اکسایش در کمپلکس ها:
برای پیدا کردن عدد اکسایش اتم مرکزی در کمپلکس ها، پیدا کردن بار لیگاند ها مهم می باشد. اگر کمپلکس از لحاظ الکتریکی خنثی باشد، بنابراین مجموع اعداد تمام لیگاند ها و اتم مرکزی صفر می باشد. در نتیجه با دانستن بار لیگاند ها، می توان عدد اکسایش اتم مرکزی را محاسبه کرد.

همانند ترکیبات باردار، در یک کمپلکس باردار، مجموع اعداد اکسایش لیگاند ها و اتم مرکزی برابر با بار الکتریکی آن یون خواهد بود. مثلا عدد اکسایش اتم مرکزی پلاتین در کمپلکس pt(NH3)4 برابر با 4+ می باشد.