Oxidační číslo

Ukázka předání elektronu mezi atomy sodíku Na a fluoridu F za vzniku sloučeniny fluoridu sodného, NaF.

Oxidační číslo (oxidační stav, oxidační stupeň nebo také mocenství) je elektrický náboj, který by se nacházel na atomu prvku, kdybychom elektrony v každé vazbě, které vycházejí z daného atomu, přidělili atomu s vyšší elektronegativitou.

Oxidační číslo atomu neodpovídá jeho reálnému náboji. Tyto dvě veličiny si odpovídají pouze u vysokých oxidačních čísel, kde je ionizační energie mnohem vyšší než energie chemických reakcí. Přiřazování vazebných elektronů jednotlivým atomům pomocí oxidačního čísla je proto formální, ale je to velmi užitečné pro pochopení mnoha chemických reakcí.

Oxidační čísla mohou nabývat kladných hodnot, záporných hodnot, ale mohou mít i hodnotu nula. Pokud atom elektrony přijímá, je jeho oxidační číslo záporné, pokud je odevzdává, je kladné. Molekula v základním stavu má oxidační číslo rovné nule neboli součet oxidačních čísel atomů v molekule je nula. Kladné hodnoty oxidačního čísla se pohybují v rozmezí od I+ do VIII+. Záporné hodnoty se pohybují v rozmezí od I− až do IV−. Atom jednoho prvku může mít různá oxidační čísla podle toho, v jaké sloučenině se zrovna nachází.

U kladných oxidačních čísel se znaménko psát ani číst nemusí, u záporných oxidačních čísel se znaménko bezpodmínečně píše i čte. Oxidační čísla jednotlivých prvků se nacházejí v periodické soustavě prvků.

Definice oxidačního čísla

Termín oxidace byl poprvé použit Antoinem Lavoisierem při zkoumání reakcí látek s kyslíkem. Mnohem později byl význam rozšířen i na další reakce, kterých se kyslík neúčastnil.

IUPAC (Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii)[1] zveřejnila v roce 2016 Komplexní definici stavu oxidace. Zkrácená definice oxidačního stavu (oxidačního čísla) je:

Oxidační stav atomu je nábojem tohoto atomu po iontové aproximaci jeho heteronukleárních vazeb...

Základním principem této definice je, že pomocí aproximace (přiblížení, odhad) považujeme všechny vazby za iontové. Ve spojení mezi dvěma různými prvky jsou tedy elektrony vazby přiřazeny k tomu, který má vyšší elektronegativitu. Ve vazbě mezi dvěma atomy stejného prvku jsou elektrony rozděleny rovnoměrně.

Pro jednoduchý odhad iontové aproximace lze použít Allenovu stupnici elektronegativity. Elektronegativita je schopnost atomů vázat elektrony chemické vazby. Čím je vyšší, tím má atom větší schopnost vázat elektrony. Naopak atom s nízkou elektronegativitou elektrony raději odevzdává.

Nejnižší elektronegativitu má francium s hodnotou 0,7 a nejvyšší elektronegativitu má fluor s hodnotou 3,98. Fluor má proto ve všech svých sloučeninách oxidační číslo I−.

Tabulka elektronegativity

→ Atomový poloměr se zmenšuje → Ionizační energie vzrůstá → Elektronegativita vzrůstá →
Skupina 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Perioda
1 H2.20 He3.89
2 Li0.98 Be1.57 B2.04 C2.55 N3.04 O3.44 F3.98 Ne3.67
3 Na0.93 Mg1.31 Al1.61 Si1.90 P2.19 S2.58 Cl3.16 Ar3.3
4 K0.82 Ca1.00 Sc1.36 Ti1.54 V1.63 Cr1.66 Mn1.55 Fe1.83 Co1.88 Ni1.91 Cu1.90 Zn1.65 Ga1.81 Ge2.01 As2.18 Se2.55 Br2.96 Kr3.00
5 Rb0.82 Sr0.99 Y1.22 Zr1.33 Nb1.6 Mo2.16 Tc1.9 Ru2.2 Rh2.28 Pd2.20 Ag1.93 Cd1.69 In1.78 Sn1.96 Sb2.05 Te2.1 I2.66 Xe2.6
6 Cs0.79 Ba0.89 *

 

Hf1.3 Ta1.5 W2.36 Re1.9 Os2.2 Ir2.20 Pt2.28 Au2.54 Hg2.00 Tl1.62 Pb2.33 Bi2.02 Po2.0 At2.2 Rn2.2
7 Fr0.7 Ra0.9 **

 

Rf  Db  Sg  Bh  Hs  Mt  Ds  Rg  Cn  Nh  Fl  Mc  Lv  Ts  Og 
Lanthanoidy *

 

La1.1 Ce1.12 Pr1.13 Nd1.14 Pm1.13 Sm1.17 Eu1.2 Gd1.2 Tb1.1 Dy1.22 Ho1.23 Er1.24 Tm1.25 Yb1.1 Lu1.27
Aktinoidy **

 

Ac1.1 Th1.3 Pa1.5 U1.38 Np1.36 Pu1.28 Am1.13 Cm1.28 Bk1.3 Cf1.3 Es1.3 Fm1.3 Md1.3 No1.3 Lr1.3

Výpočty oxidačního čísla

Existují dvě běžně používané metody pro výpočet oxidačního čísla atomu ve sloučenině. První se využívá u sloučenin, které mají Lewisovskou strukturu, jako jsou například organické molekuly. Druhá je použitelná pro jednoduché sloučeniny anorganické i organické.

Výpočet z Lewisovské struktury

Pokud je známa Lewisovská struktura molekuly, lze jednoznačně určit oxidační stav atomů jako rozdíl mezi počtem valenčních elektronů neutrálního atomu a počtem elektronů, které atomu náleží ve vázaném stavu. Pro výpočet oxidačního stavu se předpokládá, že elektrony z vazby mezi dvěma různými prvky patří atomu s vyšší elektronegativitou a elektrony z vazby mezi stejnými atomy se dělí rovným dílem.

Například kyselina octová:

Struktura kyseliny octové

Uhlík z methylové skupiny má šest valenčních elektronů z vazeb k atomům vodíku, protože je více elektronegativní. Další elektron získá z vazby k atomu uhlíku karboxylové skupiny. Celkem mu tedy náleží sedm elektronů. Neutrální atom uhlíku má čtyři elektrony. Rozdíl, 4 − 7 = −3, je oxidační číslo atomu uhlíku.

Výpočet pro jednoduché sloučeniny

Pro jednoduché sloučeniny platí pravidla, která umožňují jednoduše vypočítat oxidační číslo prvku ve sloučenině.

Základní pravidla

  1. Součet oxidačních čísel všech atomů neutrální nebo nabité sloučeniny musí být stejný jako náboj sloučeniny.
  2. Součet oxidačních čísel všech atomů neutrální sloučeniny se rovná 0.
  3. Součet oxidačních čísel všech atomů v iontu se musí rovnat celkovému náboji iontu.
  4. Prvky v elementárním stavu mají vždy oxidační číslo 0, ať už jsou tvořeny atomy nebo molekulami. Například Li, Mg, B, C, O2,P4, S8, I2, Ar.
  5. Fluor má vždy oxidační číslo I−, protože je to prvek s nejvyšší elektronegativitou.
  6. Vodík má běžně oxidační číslo I+. Oxidační číslo I− má pouze ve sloučeninách, kde je vázán k elektropozitivnějšímu prvku (NaH, NaBH4, ...).
  7. Kyslík má oxidační číslo II−. Výjimku tvoří peroxidy (I−), superoxidy (I/II−), ozonidy (I/III−), difluorid kyslíku OF2 (II+) a difluorid dikyslíku O2F2 (I+).
  8. Alkalické kovy mají oxidační číslo I+, výjimku tvoří pouze alkalidy.
  9. Kovy alkalických zemin mají vždy oxidační číslo II+.
  10. Oxidační číslo iontu atomu odpovídá jeho iontovému náboji. V kationtu Cu2+ má měď oxidační číslo II+, v aniontu Cl− má chlor oxidační číslo I−.
  11. V případě organických sloučenin s kovalentními vazbami je sloučenina formálně rozdělena na ionty na základě elektronegativity jednotlivých atomů. Pak se předpokládá, že elektrony zapojené do vazby jsou zcela převzaty více elektronegativním atomem
  12. Většina prvků se může vyskytnout v několika oxidačních číslech.
  13. Nejvyšší možné oxidační číslo prvku odpovídá číslu hlavní nebo vedlejší skupiny v periodické tabulce, kde se prvek nachází.
  14. Vedle fluoru mají oxidační číslo I− také ostatní halogeny, chlor, brom a jód. Jsou výjimky: sloučeniny s kyslíkem (oxidy halogenů) nebo interhalogenní sloučeniny.
  15. Atomy kovů mají v iontových sloučeninách vždy kladné oxidační číslo.

Křížové pravidlo

K tomu, abychom vyjádřili oxidační číslo ve sloučeninách, které mají prvky v různém poměru, nám pomáhá křížové pravidlo. Pomocí tohoto pravidla určíme například oxidační číslo stříbra v Ag2O takto:

  • Víme, že kyslík má oxidační číslo II− a jeho dolní index je 1, tedy Ag2? O1II−
  • Pokud spojíme dolní index Ag s horním indexem O, platí 2=II
  • Pokud spojíme horní index Ag s dolním indexem O, platí ?=1, tedy horní index musí být I
  • Vzorec s oxidačními čísly je tedy Ag2I+ O1II−

Křížové pravidlo je možné použít nejenom u kysličníků, ale i u dalších sloučenin jako jsou soli, hydroxidy, kyseliny atd. Pravidlo se pak uplatňuje nejenom mezi jednotlivými prvky, ale mezi celou kationtovou nebo celou aniontovou skupinou. Jestliže tedy máme fosforečnan vápenatý Ca3(PO4)2, křížové pravidlo se používá mezi vápenatým kationtem a fosforečnanovým aniontem.

Přípony podle oxidačního čísla

V názvech anorganických sloučenin je oxidační číslo daného prvku vyjádřeno příponou. Například v chloridu sodném má atom sodíku oxidační číslo I+ (koncovka -ný), v chloridu železitém má atom železa oxidační číslo III+ (koncovka -itý).

oxidační číslo přípona přídavného jména přípona podstatného jména příklad
I+ -ný -nan chlorid sodný, chlornan sodný
II+ -natý -natan sulfid olovnatý, tetrafluoroberyllnatan
III+ -itý -itan oxid hlinitý, kyselina boritá, dusitan sodný
IV+ -ičitý -ičitan kyselina křemičitá, oxid dusičitý, uhličitan draselný
V+ -ičný, -ečný -ičnan, -ečnan kyselina jodičná, oxid vanadičný, oxid fosforečný, dusičnan amonný
VI+ -ový -an oxid sírový, síran vápenatý
VII+ -istý -istan kyselina chloristá, manganistan draselný
VIII+ -ičelý -ičelan oxid osmičelý

Seznam oxidačních čísel prvků

V tabulce jsou uvedena možná oxidační čísla prvků. Pro oxidační čísla jsou použity běžné číslice, přestože nejčastěji jsou oxidační čísla psána pomocí římských číslic. Tučně jsou zapsány hodnoty hlavního oxidačního čísla prvku. Například pro berylium je to +2.

Oxidační čísla prvků
Prvek Záporná oxidační čísla Kladná oxidační čísla skupina
−5 −4 −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9
Z
1 vodík H −1 +1 1
2 helium He 18
3 lithium Li +1 1
4 berylium Be 0 +1 +2 2
5 bór B −5 −1 0 +1 +2 +3 13
6 uhlík C −4 −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 14
7 dusík N −3 −2 −1 +1 +2 +3 +4 +5 15
8 kyslík O −2 −1 0 +1 +2 16
9 fluor F −1 0 17
10 neon Ne 18
11 sodík Na −1 +1 1
12 hořčík Mg 0 +1 +2 2
13 hliník Al −2 −1 +1 +2 +3 13
14 křemík Si −4 −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 14
15 fosfor P −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 15
16 síra S −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 16
17 chlor Cl −1 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 17
18 argon Ar 0 18
19 draslík K −1 +1 1
20 vápník Ca 0 +1 +2 2
21 skandium Sc 0 +1 +2 +3 3
22 titan Ti −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 4
23 vanad V −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 5
24 chrom Cr −4 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 6
25 mangan Mn −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 7
26 železo Fe −4 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 8
27 kobalt Co −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 9
28 nikl Ni −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 10
29 měď Cu −2 0 +1 +2 +3 +4 11
30 zinek Zn −2 0 +1 +2 12
31 gallium Ga −5 −4 −3 −2 −1 +1 +2 +3 13
32 germanium Ge −4 −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 14
33 arsen As −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 15
34 selen Se −2 −1 +1 +2 +3 +4 +5 +6 16
35 brom Br −1 +1 +3 +4 +5 +7 17
36 krypton Kr 0 +1 +2 18
37 rubidium Ru −1 +1 1
38 stroncium Sr 0 +1 +2 2
39 yttrium Y 0 +1 +2 +3 3
40 zirkonium Zr −2 0 +1 +2 +3 +4 4
41 niob Nb −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 5
42 molybden Mo −4 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 6
43 technecium Tc −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 7
44 ruthenium Ru −4 −2 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 8
45 rhodium Rh −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 9
46 palladium Pd 0 +1 +2 +3 +4 10
47 stříbro Ag −2 −1 +1 +2 +3 11
48 kadmium Cd −2 +1 +2 12
49 indium In −5 −2 −1 +1 +2 +3 13
50 cín Sn −4 −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 14
51 antimon Sb −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 15
52 tellur Te −2 −1 +1 +2 +3 +4 +5 +6 16
53 jód I −1 +1 +3 +4 +5 +6 +7 17
54 xenon Xe 0 +1 +2 +4 +6 +8 18
55 cesium Cs −1 +1 1
56 baryum Ba 0 +1 +2 2
57 lanthan La 0 +1 +2 +3 není k dispozici
58 cer Ce +2 +3 +4 není k dispozici
59 praseodym Pr 0 +1 +2 +3 +4 +5 není k dispozici
60 neodym Nd 0 +2 +3 +4 není k dispozici
61 promethium Pm +2 +3 není k dispozici
62 samarium Sm 0 +2 +3 není k dispozici
63 europium Eu 0 +2 +3 není k dispozici
64 gadolinium Gd 0 +1 +2 +3 není k dispozici
65 terbium Tb 0 +1 +2 +3 +4 není k dispozici
66 dysprosium Dy 0 +2 +3 +4 není k dispozici
67 holmium Ho 0 +2 +3 není k dispozici
68 erbium Er 0 +2 +3 není k dispozici
69 thulium Tm 0 +2 +3 není k dispozici
70 ytterbium Yb 0 +2 +3 není k dispozici
71 lutecium Lu 0 +2 +3 3
72 hafnium Hf −2 0 +1 +2 +3 +4 4
73 tantal Ta −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 5
74 wolfram W −4 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 6
75 rhenium Re −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 7
76 osmium Os −4 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 8
77 iridium Ir −3 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 9
78 platina Pt −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 10
79 zlato Au −3 −2 −1 0 +1 +2 +3 +5 11
80 rtuť Hg −2 +1 +2 12
81 thallium Tl −5 −2 −1 +1 +2 +3 13
82 olovo Pb −4 −2 −1 +1 +2 +3 +4 14
83 bismut Bi −3 −2 −1 +1 +2 +3 +4 +5 15
84 polonium Po −2 +2 +4 +5 +6 16
85 astat At −1 +1 +3 +5 +7 17
86 radon Rn +2 +6 18
87 francium Fr +1 1
88 radium Ra +2 2
89 aktinium Ac +2 +3 není k dispozici
90 thorium Th +1 +2 +3 +4 není k dispozici
91 protaktinium Pa +3 +4 +5 není k dispozici
92 uran U +1 +2 +3 +4 +5 +6 není k dispozici
93 neptunium Np +2 +3 +4 +5 +6 +7 není k dispozici
94 plutonium Pu +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 není k dispozici
95 americium Am +2 +3 +4 +5 +6 +7 není k dispozici
96 curium Cm +3 +4 +5 +6 není k dispozici
97 berkelium Bk +2 +3 +4 +5 není k dispozici
98 kalifornium Cf +2 +3 +4 +5 není k dispozici
99 einsteinium Es +2 +3 +4 není k dispozici
100 fermium Fm +2 +3 není k dispozici
101 mendelevium Md +2 +3 není k dispozici
102 nobelium No +2 +3 není k dispozici
103 lawrencium Lr +3 3
104 rutherfordium Rf +4 4
105 dubnium Db +5 5
106 seaborgium Sg 0 +6 6
107 bohrium Bh +7 7
108 hassium Hs +8 8
109 meitnerium Mt 9
110 darmstadtium Ds 10
111 roentgenium Rg 11
112 kopernicium Cn +2 12
113 nihonium Nh 13
114 flerovium Fl 14
115 moscovium Mc 15
116 livermorium Lv 16
117 tennessin Ts 17
118 oganesson Og 18

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Oxidation state na anglické Wikipedii.

  1. ↑ IUPAC Gold Book

Externí odkazy