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

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