Trạng thái oxy hóa

Trạng thái oxy hóa hay số oxy hóa (hai khái niệm không hẳn đồng nhất) là số chỉ mức oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố hóa học trong một hợp chất hóa học. Con số này chính là điện tích theo lý thuyết của nguyên tử của nguyên tố đó nếu giả sử toàn bộ số liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất đều là liên kết ion. Trạng thái oxy hóa thường là số nguyên, có thể dương, âm hoặc bằng 0. Trong một số trường hợp trạng thái oxy hóa là phân số, ví dụ trường hợp sắt có trạng thái oxy hóa bằng 8/3 trong hợp chất oxit sắt từ (Fe3O4). Trạng thái oxy hóa cao nhất là +8 (gặp ở các nguyên tố rutheni, xenon, osmi và iriđi trong các hợp chất tetroxit của chúng) trong khi trạng thái oxy hóa thấp nhất là -4 (gặp ở một số nguyên tố trong nhóm cacbon).

Trong phản ứng oxy hóa khử diễn ra sự thay đổi trạng thái oxy hóa của nguyên tử. Trạng thái oxy hóa giảm thì gọi là sự khử, trong khi trạng thái oxy hóa tăng thì gọi là sự oxy hóa.

Quy tắc gán trạng thái oxy hóa cho nguyên tử của nguyên tố như sau:[1]

1. Trạng thái oxy hóa của nguyên tố trong đơn chất thì bằng 0.
2. Tổng trạng thái oxy hóa của các nguyên tố trong một phân tử thì bằng 0.
3. Trong các ion đơn nguyên tử, trạng thái oxy hóa của nguyên tố bằng điện tích của ion đó. Trong các ion đa nguyên tử, tổng trạng thái oxy hóa của các nguyên tố bằng điện tích của ion.
4. Trong hầu hết các hợp chất thì trạng thái oxy hóa của hydro là bằng +1, trừ trường hợp hydride kim loại (ví dụ natri hydride NaH, calci hydride CaH2). Trạng thái oxy hóa của oxy là bằng -2, trừ trường hợp oxy fluoride OF2 và peroxide (ví dụ hydro peroxide H2O2).

Nhóm → {displaystyle rightarrow } IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA Chu kì ↓ {displaystyle downarrow } 1 H He -1,0,1 0 2 Li Be B C N O F Ne 0,1 0,2 0,3 -4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4 -3,1,2,3,4,5 -2,-1,-1/2,0,-1/3,1,2 -1,0 0 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 0,1 0,2 IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 0,3 0,4 -3,0,1,3,4,5 -2,-1,0,1,2,4,6 -1,0,1,3,4,5,7 0 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 0,1 0,2 0,3 0,2,3,4 0,2,3,4,5 0,2,3,4,6 0,2,3,4,5,6,7 0,2,3,4,5,6 0,2,3,4 0,2,3,4 0,1,2 0,2 0,3 0,2,4 -3,0,3,5 -2,0,4,6 -1,0,1,3,4,5,7 2,4 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 1 2 0,3 0,2,3,4 2,3,4,5 2,3,4,5,6 0,3,4,5,6,7 0,3,4,5,6,8 0,2,3,4 0,2,3,4 0,1,2 0,2 0,1,3 0,2,4 -3,3,4,5 -2,2,4,6 -1,0,1,3,5,7 4 6 Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 1 0,2 0,3 0,2,3,4 2,3,4,5 0,2,3,4,5,6 0,2,3,4,5,6,7 0,2,3,4,6,8 0,2,3,4,6 0,2,3,4,6 0,1,3 0.1,2 0.1,3 0,2,4 0,3,5 -2,2,4,6 -1,1,3,5,7 4 7 Fr Ra Ac** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ta Og 1 2 3 *Họ Lanthanum Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 0,3,4 0,3,4 0,2,3,4 0,3 0,2,3 0,2,3 0,3 0,3,4 0,3,4 0,3 0,3 0,2,3 0,2,3 0.3 **Họ Actinium Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 4 4,5 3,4,5,6 3,4,5,6 3,4,5,6 3,4,5,6 3 3,4 3 3 3 2,3 2,3 3

Năm 1990, IUPAC chọn dùng các quy tắc sau nhằm xác định trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố trong các hợp chất hóa học đơn giản mà không sử dụng công thức cấu tạo Lewis:[2]

• Bất kỳ đơn chất nào – dù có cấu tạo gồm hai nguyên tử, ví dụ khí clo – đều có trạng thái oxy hóa bằng 0.
• Trong các ion đơn nguyên tử, trạng thái oxy hóa bằng bới điện tích của ion. Ví dụ, anion sulfide S2− có trạng thái oxy hóa bằng -2; cation Li+ có trạng thái oxy hóa bằng +1.
• Tổng trạng thái oxy hóa của tất cả các nguyên tử trong phân tử hoặc ion đa nguyên tử thì bằng với điện tích của phân tử (bằng 0) hay ion đa nguyên tử đó. Do đó, có thể tính ra trạng thái oxy hóa của một nguyên tố dựa vào trạng thái oxy hóa của các nguyên tố khác.

1. Tổng trạng thái oxy hóa của tất cả các nguyên tử trong một phân tử thì bằng 0. Ví dụ, xét phân tử hợp chất carbon dioxide CO2. Trong phân tử này, oxy có trạng thái oxy hóa bằng -2. Từ đó có thể tính ra trạng thái oxy hóa của cacbon bằng +4 từ phương trình trạng thái oxy hóa (C) + 2(-2) = 0.
2. Tổng trạng thái oxy hóa của các nguyên tử của các nguyên tố trong một ion đa nguyên tử bằng tổng điện tích của ion đó. Ví dụ, xét anion S2− (trong công thức SO32−). Theo quy tắc thì tổng trạng thái oxy hóa ở đây phải bằng -2, từ đó suy ra trạng thái oxy hóa của lưu huỳnh ở đây là +4 thông qua phương trình trạng thái oxy hóa (S) + 3(-2) = -2.

Một số nguyên tố hầu như luôn luôn chỉ có một trạng thái oxy hóa nhất định (do có khả năng mất electron hoặc khả năng hút electron rất cao). Do vậy, khi kết hợp điều này với các quy tắc trên thì có thể xác định được trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố còn lại (ví dụ xác định trạng thái oxy hóa của kim loại chuyển tiếp) trong hợp chất hóa học đơn giản.

Dưới đây là một số quy tắc khác có thể dùng lúc ban đầu nhằm xác định trạng thái oxy hóa của nguyên tử của một số nguyên tố trong hợp chất đơn giản:

• Flo có trạng thái oxy hóa bằng -1 do nó có khả năng hút electron cao nhất.
• Các nguyên tố nhóm halogen (trừ flo) có trạng thái oxy hóa bằng -1 trừ các trường hợp khi liên kết với oxy, với nitơ hoặc với các halogen khác có khả năng hút electron mạnh hơn. Ví dụ, trong hợp chất brom chloride (BrCl) thì trạng thái oxy hóa của clo là -1, nhưng trạng thái oxy hóa của clo trong hợp chất clo fluoride (ClF) lại là +1 (do khả năng hút electron của flo mạnh hơn clo).
• Hydro có trạng thái oxy hóa là +1 trừ trường hợp khi liên kết với các nguyên tử của nguyên tố có khả năng mất electron mạnh hơn như natri, nhôm và bo, ví dụ NaH, NaBH4 và LiAlH4 (hydro có trạng thái oxy hóa bằng -1).
• Oxy trong hợp chất nhìn chung có trạng thái oxy hóa bằng -2 mặc dù cũng có các ngoại lệ như OF2 và peroxide như H2O2.
• Kim loại kiềm có trạng thái oxy hóa bằng +1 trong hầu như tất cả các hợp chất có mặt chúng, trừ trường hợp hợp chất alkalide (hợp chất mà trong đó kim loại kiềm đóng vai trò là anion).
• Kim loại kiềm thổ có trạng thái oxy hóa bằng +2 trong hầu như tất cả các hợp chất có mặt chúng.

Có hai cách thông dụng để tính toán trạng thái oxy hóa của nguyên tử của một nguyên tố. Cách thứ nhất là cách tính đại số như trên; cách này áp dụng đối với các hợp chất hóa học đơn giản không cần cấu trúc Lewis. Cách thứ hai được dùng đối với phân tử có cấu trúc Lewis.

Nên nhớ rằng trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố không đại diện cho điện tích “thực” của nguyên tử đó: điều này đặc biệt đúng đối với các trạng thái oxy hóa cao khi lượng năng lượng ion hóa cần thiết để tạo ra một ion dương lớn hơn rất nhiều so với năng lượng có trong phản ứng hoá học. Dù việc gán electron cho các nguyên tử nhằm tính toán trạng thái oxy hóa thực chất chỉ mang tính hình thức nhưng việc làm này lại có ích nếu muốn hiểu được nhiều phản ứng hóa học.

Nếu một phân tử có cấu trúc Lewis thì có thể gán trạng thái oxy hóa bằng cách tính mức chênh lệch giữa số electron hóa trị của nguyên tử trung hòa về điện với số electron “thuộc” về nguyên tử đó xét trong cấu trúc Lewis. Nhằm mục đích tính toán trạng thái oxy hóa, số electron liên kết giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được xếp thuộc về nguyên tử có khả năng hút electron mạnh hơn; trong khi đó, số electron liên kết giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì được phân đều cho các nguyên tử; electron nằm trong cặp lẻ thì chỉ thuộc về nguyên tử có cặp lẻ đó.

Ví dụ, xét trường hợp axit acetic:

Nguyên tử cacbon trong nhóm metyl có 6 electron hóa trị thuộc về nó do cacbon có khả năng hút electron mạnh hơn hydro. Tiếp theo, nguyên tử cacbon này có thêm 1 electron nữa từ liên kết với nguyên tử cacbon khác (C-C) do số electron liên kết giữa các nguyên tử cùng nguyên tố thì được phân chia đều. Như vậy tổng cộng nguyên tử cacbon này có 7 electron. Một nguyên tử cacbon trung hòa về điện thì chỉ có 4 electron hóa trị, suy ra mức chênh lệch là 4 − 7 = -3. Do vậy, xét theo cấu trúc Lewis thì trạng thái oxy hóa của nguyên tử cacbon này là -3. Điều đó có nghĩa là nếu giả sử tất cả các liên kết giữa các nguyên tử trong hợp chất này là liên kết ion (thực tế không phải vậy) thì nguyên tử này được ký hiệu C3−.

Áp dụng tương tự quy tắc trên cho nguyên tử cacbon trong gốc axit thì thu được trạng thái oxy hóa của nó là +3, áp dụng cho nguyên tử oxy thì thu được trạng thái oxy hóa là -2.