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氧化數(Oxidation Number)和氧化態 (Oxidation State)(一)

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氧化數(Oxidation Number)和氧化態 (Oxidation State)(一)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

在氧化還原反應中,為了描述反應中電子數目的改變,化學上常使用氧化數或氧化態的概念,表示物質在反應中電子增加或減少的程度,就是賦予元素在不同的化合狀態中一個簡單數值,以表示其失得電子的狀況。失去電子者氧化數為正值,獲得電子者為負值。原子因化合狀態的不同,可能具有數種的氧化態。主要的計算其規則如下:

  • 1.元素態的物質,其原子的氧化數為零。例如Na(s)、O2(g)、O3(g)、Hg (l)。
  • 2.離子化合物中,單原子離子的氧化數等於該離子的電荷數。例如氯化鈉NaCl的鈉離子氧化數為+1,氯離子的氧化數為-1。
  • 3.鹼金屬及鹼土金屬化合物中,鹼金屬的氧化數為+1,鹼土金屬的氧化數為+2。氟在化合物中的氧化數為-1,例如,HF、PF3
  • 4.氫與非金屬元素化合時,氫的氧化數為+1,如HCl、H2O、NH3;金屬氫化物,氫的氧化數為-1,如NaH、CaH2
  • 5.氧化物中,例如H2O、CO2,氧的氧化數為-2;過氧化物,如H2O2,氧的氧化數為-1。

從以上的規則,我們可以注意到在共價分化合物中,如H2O,其O-H共價鍵,理論上,應是由兩原子共享鍵結的兩個電子,但是因氧的電負度比氫來的大,所以在此我們假設,O從兩個氫取走兩個電子而帶負二價,氫因此而各帶正一價。若是相同原子所總成的共價分子,如H2,因為兩個氫原子必須有相同的氧化數,且分子氧化數的總和為零。所以H2中,氫原子的氧化數也為零。 其他特別注意的是,大部分原子的最大氧化數恰為其價電子(valence electron)個數,例如過錳酸鉀KMnO4的Mn或過氯酸HClO4中的Cl,其最大氧化數為+7;甲烷CH4中的C氧化數為-4,是元素中最低的氧化數。然而少數過渡金屬及高週期的惰性氣體,其氧化數有大於7的情形,例如:四氧化鋨(OsO4)中Os的氧化數為+8,這是因為有高階d電子存在(3d或4d),所以其價電子數高於7。

另一方面,氧化數這個概念也應用於無機化學命名,用來表示一個配位化合物中,除去所有配位基及配位的電子對後,中心原子所帶的電荷數。使用數字標明氧化數,並且省略正氧化數的正號。書寫時既可以將氧化數寫成上標標在元素符號後面,如鐵三價Fe3+,也可將氧化數寫在括號內標在元素名稱後面,如Fe(III),元素名稱與括號之間不留空格。

參考資料:
1. Oxidation number. http://en.wikipedia.org/wiki/Oxidation_number
2. Oxidation state. http://en.wikipedia.org/wiki/Oxidation_state
3. Wendell M. Latimer, Chemist. http://www.jstor.org/stable/1751554?seq=1
4. JCE online.
http://jchemed.chem.wisc.edu/Journal/Issues/2007/Sep/jceSubscriber/p1418.pdf

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