Oxidační číslo

Rozbalit box

Obsah boxu

Oxidační číslo (někdy označované jako oxidační stav nebo oxidační stupeň) je formální náboj, který by byl přítomen na atomu, pokud by všechny chemické vazby v dané molekule nebo iontu byly 100% iontové. Jedná se o klíčový koncept v chemii, který slouží jako užitečný nástroj pro sledování přesunu elektronů při redoxních reakcích, pro tvorbu názvosloví anorganických sloučenin a pro klasifikaci chemických látek.

Přestože je oxidační číslo fiktivním nábojem (ve skutečnosti jsou vazby, zejména kovalentní, sdíleny a ne zcela převedeny), jeho koncept výrazně zjednodušuje popis a vyčíslování složitých chemických dějů. Zapisuje se římskými číslicemi v názvech sloučenin (např. oxid železa(III)) nebo arabskými číslicemi se znaménkem jako horní index u symbolu prvku (např. Fe⁺³).

📜 Historie a vývoj konceptu

Koncept, který předcházel oxidačnímu číslu, se začal formovat v 18. století s prací Antoina Lavoisiera na teorii hoření jako procesu slučování s kyslíkem. Termín "oxidace" původně znamenal právě jen slučování s kyslíkem. Postupem času a s hlubším pochopením podstaty chemických vazeb a role elektronů se definice rozšířila.

Moderní koncept oxidačního čísla byl plně formalizován ve 20. století, zejména v souvislosti s prací Linuse Paulinga a zavedením stupnice elektronegativity. Právě elektronegativita, tedy schopnost atomu přitahovat vazebné elektrony, se stala základem pro formální přidělování elektronů v kovalentních vazbách, a tím i pro určení oxidačních čísel. Tento systém umožnil sjednotit popis reakcí, které dříve nebyly považovány za příbuzné (např. hoření hořčíku a reakce sodíku s chlorem), pod jednotný rámec redoxních dějů.

⚙️ Definice a základní pravidla

Pro systematické určování oxidačních čísel atomů ve sloučeninách byla stanovena sada empirických pravidel, která vycházejí z konceptu elektronegativity.

1. Atomy v nezloučeném stavu (prvky): Atom jakéhokoliv prvku ve volném, nezloučeném stavu má oxidační číslo **0**. To platí pro samostatné atomy (Fe, Na, He) i pro molekuly tvořené stejnými atomy (O₂, H₂, S₈).
2. Jednoatomové ionty: Oxidační číslo atomu v jednoatomovém iontu je rovno náboji tohoto iontu. Například v iontu Na⁺ má sodík oxidační číslo **+I**, v iontu Cl⁻ má chlor **-I** a v iontu Al³⁺ má hliník **+III**.
3. Součet oxidačních čísel:
   • V elektricky neutrální molekule je součet oxidačních čísel všech atomů roven **0**.
   • V polyatomovém (víceatomovém) iontu je součet oxidačních čísel všech atomů roven celkovému náboji iontu. Například v iontu SO₄²⁻ je součet oxidačních čísel jednoho atomu síry a čtyř atomů kyslíku roven **-2**.
4. Kovy:
   • Alkalické kovy (prvky 1. skupiny, např. Li, Na, K) mají ve sloučeninách vždy oxidační číslo **+I**.
   • Kovy alkalických zemin (prvky 2. skupiny, např. Mg, Ca, Ba) mají ve sloučeninách vždy oxidační číslo **+II**.
5. Fluor: Fluor (F), jakožto nejelektronegativnější prvek, má ve všech svých sloučeninách oxidační číslo **-I**.
6. Kyslík: Kyslík (O) má ve většině sloučenin oxidační číslo **-II**. Existují však důležité výjimky:
   • V peroxidech (obsahujících iont O₂²⁻, např. H₂O₂) má oxidační číslo **-I**.
   • V superoxidech (obsahujících iont O₂⁻, např. KO₂) má oxidační číslo **-½**.
   • Ve sloučeninách s fluorem (např. OF₂) má kladné oxidační číslo, zde **+II**, protože fluor je elektronegativnější.
7. Vodík: Vodík (H) má ve většině sloučenin oxidační číslo **+I**. Výjimkou jsou hydridy kovů (např. NaH, CaH₂), kde má oxidační číslo **-I**, protože je elektronegativnější než daný kov.
8. Halogeny: Ostatní halogeny (Cl, Br, I) mají ve svých sloučeninách (halogenidech) obvykle oxidační číslo **-I**, pokud nejsou vázány na kyslík nebo na elektronegativnější halogen. Ve sloučeninách s kyslíkem (oxokyselinách, oxidech) mohou nabývat kladných oxidačních čísel (např. v HClO₄ má chlor oxidační číslo **+VII**).

✍️ Značení a zápis

Existují dva hlavní způsoby, jak oxidační číslo v chemii zapisovat:

• Římské číslice v názvu: Používá se v názvosloví anorganických sloučenin (tzv. Stockova nomenklatura) pro rozlišení sloučenin, kde může mít daný prvek více možných oxidačních stavů. Číslice se píše do kulaté závorky bez znaménka za název prvku.

   *   Příklad: Fe₂O₃ se nazývá oxid železa(III), zatímco FeO je oxid železa(II).

• Arabské číslice se znaménkem: Používá se při analýze chemických rovnic a pro znázornění formálního náboje přímo v chemickém vzorci. Píše se jako horní index nad symbol prvku, přičemž znaménko se píše před číslici.

   *   Příklad: V molekule kyseliny sírové (H₂SO₄) se oxidační čísla zapíší jako: H₂⁺¹S⁺⁶O₄⁻².
       *   Kontrola součtu: (2 × +1) + (+6) + (4 × -2) = 2 + 6 - 8 = 0.

💡 Význam a použití

Názvosloví anorganických sloučenin

Oxidační číslo je základem pro systematické názvosloví. U kationtů se k názvu prvku přidává koncovka podle hodnoty oxidačního čísla:

• +I: -ný (sodný)
• +II: -natý (vápenatý)
• +III: -itý (hlinitý)
• +IV: -ičitý (uhličitý)
• +V: -ečný, -ičný (fosforečný)
• +VI: -ový (sírový)
• +VII: -istý (manganistý)
• +VIII: -ičelý (osmičelý)

Tento systém (spolu se Stockovou nomenklaturou) umožňuje jednoznačně pojmenovat obrovské množství anorganických sloučenin.

Redoxní reakce

Redoxní reakce jsou definovány jako děje, při kterých dochází ke změně oxidačních čísel atomů.

• Oxidace: Proces, při kterém se oxidační číslo atomu zvyšuje. To odpovídá formální ztrátě elektronů.
• Redukce: Proces, při kterém se oxidační číslo atomu snižuje. To odpovídá formálnímu přijetí elektronů.

Příklad: Reakce zinku s síranem měďnatým: Zn⁰ + Cu⁺²SO₄⁻² → Zn⁺²SO₄⁻² + Cu⁰

• Zinek (Zn) se oxidoval (oxidační číslo se zvýšilo z 0 na +II).
• Měď (Cu) se redukovala (oxidační číslo se snížilo z +II na 0).

Vyčíslování chemických rovnic

Metoda založená na změnách oxidačních čísel je jedním z nejspolehlivějších způsobů, jak vyčíslit složité redoxní rovnice, kde by pouhý odhad selhal. Princip spočívá v tom, že celkový počet elektronů odevzdaných při oxidaci se musí rovnat celkovému počtu elektronů přijatých při redukci.

⚠️ Výjimky a problematické případy

Koncept oxidačního čísla je zjednodušením a v některých případech naráží na své limity.

Zlomková oxidační čísla

V některých sloučeninách, zejména v polyatomových iontech, může výpočet vést k průměrnému zlomkovému oxidačnímu číslu.

• Příklad: V tetrathionanovém aniontu (S₄O₆²⁻) je celkový náboj -2. Kyslík má -II, tedy 6 × -2 = -12. Pro čtyři atomy síry zbývá náboj +10, aby byl celkový součet -2. Průměrné oxidační číslo síry je tedy +10 / 4 = **+2,5**. Ve skutečnosti mají dva prostřední atomy síry oxidační číslo 0 a dva krajní +V. Zlomek je pouze průměrem těchto hodnot.

Organické sloučeniny

Určování oxidačních čísel v organické chemii je možné, ale často méně intuitivní kvůli složitým kovalentním vazbám mezi atomy uhlíku. Zde se oxidační číslo uhlíku určuje pro každý atom zvlášť na základě atomů, na které je přímo vázán. Například v kyselině octové (CH₃COOH) má uhlík v methylové skupině (-CH₃) oxidační číslo -III, zatímco karboxylový uhlík (-COOH) má oxidační číslo +III.

🔬 Oxidační číslo vs. mocenství

Tyto dva pojmy jsou často zaměňovány, ale mají odlišný význam.

• Mocenství (valence): Udává počet chemických vazeb, které atom v dané molekule vytváří. Je to vždy kladné celé číslo.
• Oxidační číslo: Formální náboj, který může být kladný, záporný i nulový.

Příklad: V molekule kyslíku (O=O):

• Každý atom kyslíku je dvou-mocný (vytváří dvě vazby).
• Oxidační číslo každého atomu kyslíku je 0.

V molekule vody (H-O-H):

• Atom kyslíku je dvou-mocný.
• Oxidační číslo kyslíku je -II.

🧑‍🏫 Pro laiky: Co je to oxidační číslo?

Představte si chemickou vazbu mezi dvěma atomy jako přetahování lanem o elektrony. Každý atom má určitou "sílu", kterou elektrony přitahuje – této síle se odborně říká elektronegativita.

• Když se přetahují dva stejně silné atomy (např. dva atomy kyslíku v molekule O₂), lano (elektrony) zůstane přesně uprostřed. Nikdo nevyhrál ani neprohrál. Proto říkáme, že jejich oxidační číslo je **nula**.

• Když se přetahuje velmi silný atom (jako kyslík) se slabším (jako vodík), silnější atom přetáhne lano (elektrony) téměř úplně na svou stranu. I když elektrony stále sdílejí, pro zjednodušení si řekneme, že silnější atom je "získal" a ten slabší je "ztratil".

   *   Atom, který elektrony "získal" (kyslík), dostane záporné oxidační číslo (v tomto případě **-II**).
   *   Atom, který je "ztratil" (vodík), dostane kladné oxidační číslo (zde **+I**).

Oxidační číslo je tedy takové "skóre" v tomto přetahování. Je to vymyšlené číslo, které nám ale skvěle pomáhá pochopit, jak si atomy mezi sebou "předávají" elektrony během chemických reakcí, a udržet v tom pořádek.

Šablona:Aktualizováno