عدد اکسایش: بار الکتریکی نسبی اتم یک عنصر در گونۀ شیمیایی

عدد اکسایش: بار الکتریکی نسبی اتم‌ها

عدد اکسایش چیست و چرا مهم است؟

همان‌طور که هر خانه یک شماره پلاک دارد، هر اتم در یک مولکول یا یون می‌تواند یک «عدد» داشته باشد که وضعیت الکترونی آن را نشان می‌دهد. این عدد، عدد اکسایش نام دارد. عدد اکسایش یک عدد صحیح (مثبت، منفی یا صفر) است که به صورت فرضی و بر اساس قوانینی خاص محاسبه می‌شود. اگر اتمی الکترون از دست بدهد (یا در یک پیوند کووالانسی³، الکترون‌های پیوند بیشتر متعلق به اتم دیگر باشد)، عدد اکسایش مثبت می‌شود. اگر الکترون بگیرد (یا الکترون‌های پیوند بیشتر متعلق به آن باشد)، عدد اکسایش منفی می‌شود.

این مفهوم برای ما مهم است چون:

• نام‌گذاری: نام بسیاری از ترکیبات بر اساس عدد اکسایش عناصر آن‌ها انتخاب می‌شود. مثلاً آهن در FeO عدد اکسایش +2 دارد (آهن(II) اکسید) و در Fe₂O₃ عدد اکسایش +3 دارد (آهن(III) اکسید).
• واکنش اکسایش و کاهش: قلب بسیاری از واکنش‌های شیمیایی، از جمله سوختن چوب، زنگ زدن آهن و تولید انرژی در باتری‌ها و بدن ما، بر مبادلهٔ الکترون استوار است. تغییر عدد اکسایش، شناسایی اتمی که اکسید شده (الکترون از دست داده) و اتمی که کاهش یافته (الکترون گرفته) را آسان می‌کند.
• پیش‌بینی رفتار: عدد اکسایش به ما کمک می‌کند تا ترکیبات پایدار را شناسایی کنیم و واکنش‌پذیری مواد را بهتر درک کنیم.

قوانین طلایی محاسبهٔ عدد اکسایش

برای تعیین عدد اکسایش اتم‌ها در یک ترکیب، از مجموعه‌ای از قوانین توافق‌شده استفاده می‌کنیم. این قوانین را مانند دستورالعمل یک بازی در نظر بگیرید.

مثال عملی ۱ (آب): فرمول آب H₂O است. طبق قوانین: عدد اکسایش هیدروژن +1 و عدد اکسایش اکسیژن -2 است. بیایید چک کنیم: $(2 \times (+1)) + (1 \times (-2)) = 0$. مجموع صفر می‌شود که برای یک مولکول خنثی درست است.

مثال عملی ۲ (یون سولفات): فرمول یون سولفات SO₄^2- است. عدد اکسایش اکسیژن -2 است. عدد اکسایش گوگرد (S) را x می‌گذاریم. بار کل یون -2 است. پس معادله می‌شود: $x + (4 \times (-2)) = -2$. با حل معادله: $x - 8 = -2$، بنابراین $x = +6$. عدد اکسایش گوگرد در یون سولفات +6 است.

کاربرد عدد اکسایش در تعادل واکنش‌های اکسایش و کاهش (ردوکس)

یکی از مهم‌ترین کاربردهای عدد اکسایش، متوازن کردن معادله‌های پیچیده‌ای است که در آن‌ها انتقال الکترون رخ می‌دهد. این واکنش‌ها به واکنش‌های اکسایش و کاهش یا ردوکس² معروفند.

فرض کنید مس در معرض هوا اکسید می‌شود و اکسید مس(II) قرمز رنگ را تشکیل می‌دهد: Cu + O₂ → CuO. برای متوازن کردن این معادله، مراحل زیر را با کمک عدد اکسایش طی می‌کنیم:

1. تعیین اعداد اکسایش:
   • در سمت چپ: Cu (عنصر خالص) عدد اکسایش 0، O₂ (عنصر خالص) عدد اکسایش 0.
   • در سمت راست: در CuO، اکسیژن عدد اکسایش -2 است، پس مس باید عدد اکسایش +2 داشته باشد تا مجموع صفر شود.
2. شناسایی تغییرات:
   • عدد اکسایش مس از 0 به +2 افزایش یافته است (۲ الکترون از دست داده). مس اکسید شده است.
   • عدد اکسایش اکسیژن از 0 به -2 کاهش یافته است (هر اتم اکسیژن ۲ الکترون گرفته، اما مولکول O₂ دو اتم دارد). اکسیژن کاهش یافته است.
3. توازن الکترونی و سپس توازن اتمی: الکترون از دست رفته توسط مس باید برابر الکترون گرفته شده توسط اکسیژن باشد. از 0 به +2 یعنی از دست دادن ۲ الکترون به ازای هر اتم مس. از 0 به -2 یعنی گرفتن ۲ الکترون به ازای هر اتم اکسیژن، یا ۴ الکترون به ازای هر مولکول O₂. بنابراین کوچکترین مضرب مشترک الکترون‌های مبادله‌شده ۴ است. پس باید ۲ اتم مس (که در مجموع ۴ الکترون از دست می‌دهند) با ۱ مولکول اکسیژن (که ۴ الکترون می‌گیرد) واکنش دهند. معادلهٔ موازنه شده می‌شود: 2Cu + O₂ → 2CuO.

این فرآیند برای واکنش‌های پیچیده‌تر در باتری‌ها، صنعت و حتی فرآیندهای زیستی مانند تنفس سلولی به کار می‌رود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ عدد اکسایش (Oxidation Number / Oxidation State)
² اکسایش و کاهش / ردوکس (Oxidation-Reduction / Redox): واکنشی که در آن انتقال الکترون بین گونه‌های شیمیایی رخ می‌دهد. افزایش عدد اکسایش = اکسایش (از دست دادن الکترون)، کاهش عدد اکسایش = کاهش (گرفتن الکترون).
³ پیوند کووالانسی (Covalent Bond): نوعی پیوند شیمیایی که در آن اتم‌ها الکترون‌ها را به اشتراک می‌گذارند.
⁴ یون (Ion): اتم یا گروهی از اتم‌ها که با از دست دادن یا گرفتن الکترون، دارای بار الکتریکی شده‌اند.
⁵ مولکول خنثی (Neutral Molecule): مولکولی که بار الکتریکی کلی آن صفر است.