普通化学/氧化还原反应/氧化态

氧化态 用于确定元素在键合时所经历的氧化或还原程度。 化合物的氧化态是化合物中所有原子的氧化态之和，除非化合物是离子化合物，否则其等于零。

分子中原子氧化态是指，如果键合完全是离子键，那么它将具有的电荷，即使共价键实际上并不产生带电离子。

符号方法

氧化态写在元素或元素组的上方（在绘制分子时），或者在命名元素时用罗马数字括起来。

示例

${\begin{matrix}_{0}\\Al\end{matrix}}$	铝
${\begin{matrix}_{+3}\\Al\end{matrix}}$	铝(III)，一个离子

确定氧化态

对于单个原子或离子

由于氧化数只是获得或失去的电子的总和，因此计算单个元素的氧化数很简单。

示例

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

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

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

请注意，离子化合物的氧化态很容易确定。

对于较大的分子

有用提示！
请记住，所有单个氧化态必须加起来等于整个物质的电荷。

虽然共价键不会产生电荷，但氧化态仍然很有用。 它们标记了如果物质是离子化合物，那么电子的假设转移。 确定共价分子中原子的氧化态在分析“氧化还原”反应时非常重要。 当物质发生反应时，它们在形成产物时可能会转移电子，因此比较产物和反应物的氧化态可以帮助我们跟踪电子。

示例

${\begin{matrix}_{+1}&_{-1}\\H&Cl\end{matrix}}$	对于氯化氢
${\begin{matrix}_{2(+1)}&_{-2}\\H_{2}&O\end{matrix}}$	对于水
${\begin{matrix}_{+3}&_{2(-2)}\\Cl&O_{2}\end{matrix}}$	亚氯酸根离子 (注意总电荷)

确定氧化态

确定氧化态是基于了解哪些元素除了元素态之外只能有一个氧化态，以及哪些元素除了元素态之外能够形成多个氧化态。让我们看看确定氧化态的一些“规则”。

1. 元素的氧化态总是为零。

2. 对于金属，离子的电荷与氧化态相同。以下金属只形成一种离子：IA 族、IIA 族、IIIA 族（除 Tl 外）、Zn²⁺、Cd²⁺。

3. 对于单原子阴离子和阳离子，电荷与氧化态相同。

4. 化合物中的氧为-2，除非存在过氧化物。过氧化物离子 O₂²⁻ 中氧的氧化态为-1。

5. 对于含有多原子离子的化合物，使用多原子离子的总电荷来确定阳离子的电荷。这里有一个方便的方法来确定氧化态。基本上，你将化合物中的电荷视为一个简单的代数表达式。例如，让我们确定化合物 KMnO₄ 中元素的氧化态。根据规则 2，我们知道钾的氧化态为+1。我们现在将“x”分配给 Mn，因为锰可能有多种氧化态。有 4 个氧为-2。化合物的总电荷为零：K Mn O4 +1 x 4(-2)

生成的代数表达式为：1 + x -8 = 0

求解 x 可得到锰的氧化态：x - 7 = 0 x = +7 K Mn O4 +1 +7 4(-2)

假设正在考虑的物种是多原子离子。例如，重铬酸根离子 (Cr2O72-) 中铬的氧化态是多少？

如前所述，分配氧的氧化态，已知为-2。由于铬的氧化态未知，且存在两个铬原子，因此为铬分配代数值 2x：Cr2 O7 2- 2x 7(-2)

建立代数方程来求解 x。由于离子的总电荷为-2，因此表达式设置为-2 而不是 0：2x + 7(-2) = -2

求解 x：2x - 14 = -2 2x = 12 x = +6

离子中的每个铬的氧化态为+6。让我们做一个最后的例子，其中涉及多原子离子。假设你需要找到 Fe2(CO3)3 中所有原子的氧化态。这里有两个原子，铁和碳，有不止一种可能的氧化态。如果你不知道碳酸根离子中碳的氧化态会怎样？事实上，碳的氧化态知识是多余的。你需要知道的是碳酸根离子的电荷 (-2)。在只考虑铁离子和碳酸根离子时，建立一个代数表达式：Fe2 (CO3)3 2x 3(-2) 2x - 6 = 0 2x = 6 x = 3

化合物中的每个铁离子的氧化态为+3。接下来考虑独立于铁(III)离子的碳酸根离子：C O3 2- x 3(-2) x - 6 = -2 x = +4

碳的氧化态为+4，每个氧为-2。

指南

确定氧化态并不总是容易，但是有许多指南可以帮助你。本表中的指南按重要性顺序排列。任何元素可能达到的最高氧化态是 XeO₄ 中的 +8。

元素	常见氧化态
氟	氟是最具电负性的元素，它的氧化态总是为-1（除了它在 F2 中与自身键合时，它的氧化态为 0）。
氢	氢的氧化态总是为+1、-1 或 0。当它与非金属键合时为+1（例如 HCl，盐酸）。当它与金属键合时为-1（例如 NaH，氢化钠）。当它在 H2 中与自身键合时为 0。
氧	氧在化合物中通常被赋予-2 的氧化数，例如 H2O。例外情况是在过氧化物 (O2-2) 中，它被赋予-1 的氧化数。此外，在 F2O 中，氧被赋予+2 的氧化数（因为氟必须为-1），在 O2 中，它只与自身键合，氧化数为 0。
碱金属	IA 族金属的氧化态总是为+1，例如 NaCl。IIA 族金属的氧化态总是为+2，例如 CaF2。有一些罕见的例外不需要考虑。
卤素	其他卤素（Cl、Br、I、As）通常具有-1 的氧化态。当与另一个卤素键合时，它的氧化态将为 0。但是，它们也可以具有+1、+3、+5 或+7 的氧化态。观察氯化物的家族，你可以看到每个氧化态（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（如氨气，NH3），但可能具有+3（如 NF3）或+5（如磷酸根，PO43-）。
碳	碳可以取任何氧化态，从 CH4 中的-4 到 CF4 中的+4。最好先找到其他元素的氧化态。

一般来说，电负性越强的元素具有负数。使用电负性表，你可以确定化合物中任何原子的氧化态。

周期性

氧化态是另一个周期性趋势。它们似乎在每个周期中重复一个模式。