Oxidationstal – regler och exempel

Oxidationstal är ett formellt sätt att hålla reda på hur elektroner fördelas i kemiska föreningar och joner. De är särskilt användbara när man ska avgöra vad som oxideras och reduceras i en redoxreaktion.

Oxidationstalet är inte nödvändigtvis atomens verkliga elektriska laddning. I en kovalent bindning tilldelas bindningselektronerna formellt den mer elektronegativa atomen när oxidationstalen bestäms.

Grundregler för oxidationstal

Följande regler löser de flesta grundläggande uppgifter:

1. Ett grundämne i fri, obunden form har oxidationstal 0.
2. En enatomig jon har oxidationstal lika med jonens laddning.
3. Summan av oxidationstalen i en neutral förening är 0.
4. Summan i en polyatomär jon är lika med jonens nettoladdning.
5. Fluor har oxidationstal −1 i sina föreningar.
6. Syre har oftast −2, men det finns viktiga undantag.
7. Väte har oftast +1 med icke-metaller och −1 i många metallhydrider.
8. Grupp 1-metaller har +1 i sina vanliga föreningar och grupp 2-metaller +2.

Exempel: vatten

I H₂O har väte normalt +1 och syre −2.

Kontroll:

2 × (+1) + (−2) = 0

Summan blir noll, vilket stämmer eftersom vattenmolekylen är neutral.

Exempel: koldioxid

I CO₂ har varje syreatom oxidationstal −2. De två syreatomerna ger tillsammans −4.

För att molekylen ska vara neutral måste kolet därför ha +4:

(+4) + 2 × (−2) = 0

Exempel: sulfatjonen

Sulfatjonen är SO₄²⁻. Om syre tilldelas −2 får de fyra syreatomerna tillsammans −8.

Summan ska bli jonens laddning −2:

x + (−8) = −2

Alltså är svavlets oxidationstal +6.

Viktiga undantag för syre

Syre har inte alltid −2.

• I peroxider, exempelvis H₂O₂, har syre −1.
• I superoxider är det genomsnittliga oxidationstalet för syre −1/2.
• I OF₂ har syre +2 eftersom fluor är mer elektronegativt och tilldelas −1.

Det är därför bättre att använda reglerna i prioriterad ordning än att anta att syre alltid är −2.

Viktiga undantag för väte

Väte har vanligen +1 när det är bundet till icke-metaller, exempelvis i HCl och H₂O.

I många metallhydrider, exempelvis NaH, tilldelas väte däremot −1 medan natrium har +1.

Oxidationstal och redoxreaktioner

En ökning av oxidationstalet betyder oxidation. En minskning betyder reduktion.

I reaktionen:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

• Zn går från 0 till +2 och oxideras.
• Cu går från +2 till 0 och reduceras.

Förändringen visar elektronöverföringen: zink avger två elektroner och kopparjonen tar upp två.

Oxidationsmedel och reduktionsmedel

Det ämne som reduceras är oxidationsmedlet, eftersom det tar emot elektroner och får ett annat ämne att oxideras.

Det ämne som oxideras är reduktionsmedlet, eftersom det avger elektroner och får ett annat ämne att reduceras.

I zink-koppar-exemplet är Cu²⁺ oxidationsmedel och Zn reduktionsmedel.

Oxidationstal är inte samma sak som formell laddning

Oxidationstal och formell laddning är två olika bokföringsmodeller.

Vid oxidationstal tilldelas bindningselektronerna den mer elektronegativa atomen. Vid formell laddning delas bindningselektronerna i stället lika mellan de bundna atomerna.

De kan därför ge olika värden för samma atom i en molekyl.

Så löser du en uppgift

1. Markera kända oxidationstal enligt reglerna.
2. Multiplicera varje oxidationstal med antalet atomer av den typen.
3. Sätt summan lika med molekylens nettoladdning eller jonens laddning.
4. Lös ekvationen för det okända oxidationstalet.
5. Kontrollera att totalsumman stämmer.

Exempel: permanganat och ammonium

I permanganatjonen MnO₄⁻ bidrar fyra syreatomer med totalt −8. Summan ska vara −1, så mangan måste ha oxidationstal +7.

I ammoniumjonen NH₄⁺ bidrar fyra väten med totalt +4. För att summan ska bli +1 måste kväve ha oxidationstal −3.

Sådana exempel visar varför jonens totala laddning alltid måste tas med i beräkningen.

Genomsnittliga oxidationstal kan bli bråktal

I vissa fasta ämnen ger den enkla bokföringen ett genomsnittligt oxidationstal som inte är heltal.

I magnetit, Fe₃O₄, bidrar fyra syreatomer med −8. Järnets genomsnittliga oxidationstal blir därför +8/3. Föreningen kan förenklat beskrivas som att den innehåller både Fe(II) och Fe(III), inte som att varje järnatom har den verkliga laddningen +2,67.

Oxidationstal i kemiska namn

För grundämnen som kan förekomma i flera oxidationstillstånd används ibland romerska siffror i ämnesnamnet.

Järn(II)klorid, FeCl₂, innehåller järn med oxidationstal +2, medan järn(III)klorid, FeCl₃, innehåller järn med +3.

Den romerska siffran är alltså ett oxidationstal i namngivningen och ska inte blandas ihop med hur många atomer som finns i formeln.

Vilken regel används först?

När flera tumregler verkar möjliga behöver de användas i rätt ordning. Fluor tilldelas −1 i sina föreningar, vilket är skälet till att syre får det ovanliga oxidationstalet +2 i OF₂.

På samma sätt gör peroxidbindningen O–O att syre får −1 i H₂O₂ i stället för det vanligare −2. Undantagen är alltså en del av regelverket, inte godtyckliga avvikelser.

Oxidationstal och balansering

När ett oxidationstal ökar kan ökningen användas för att räkna hur många elektroner som formellt har avgetts. En minskning motsvarar formellt upptagna elektroner.

I en balanserad redoxreaktion måste den totala ökningen och den totala minskningen motsvara varandra. Oxidationstalsmetoden kan därför användas för att hitta stökiometriska koefficienter, medan halvreaktionsmetoden ofta är tydligare i vattenlösning.

Vanliga frågor

Vilket oxidationstal har ett rent grundämne?

Atomer i ett grundämne i fri form har oxidationstal 0, exempelvis O₂, Fe och S₈.

Är oxidationstal en verklig jonladdning?

Inte alltid. För en enatomig jon sammanfaller värdena, men i kovalenta föreningar är oxidationstalet en formell tilldelning av bindningselektroner.

Kan samma grundämne ha flera oxidationstal?

Ja. Järn förekommer exempelvis ofta som +2 och +3, och många övergångsmetaller kan ha flera vanliga oxidationstal.

Hur ser man att en redoxreaktion har skett?

Om minst ett grundämnes oxidationstal ökar och ett annat minskar har en redoxförändring skett.