Đang tải bài học…

AP Chemistry

số oxi hóa

oxidation number

Còn gọi: oxidation state · trạng thái oxi hóa

Số oxi hóa là số nguyên gán cho mỗi nguyên tử theo quy ước coi mọi liên kết là ion, dùng để nhận biết và cân bằng phản ứng oxi hóa–khử.

Khi hai nguyên tử khác nhau góp chung êlectron (electron), cặp êlectron liên kết luôn bị kéo lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Số oxi hóa ra đời từ việc đẩy sự lệch ấy tới cực đoan: ta giả vờ rằng nguyên tử âm điện hơn đã giành trọn cặp êlectron, rồi đếm xem mỗi nguyên tử thừa hay thiếu bao nhiêu êlectron so với dạng nguyên tử trung hòa. Con số thu được là một quy ước kế toán chứ không phải điện tích thật đo được, nhưng chính vì nó tuân theo luật cộng chặt chẽ nên nó rất hữu dụng.

Luật cộng đó phát biểu rằng tổng số oxi hóa của mọi nguyên tử trong một tiểu phân phải bằng điện tích của tiểu phân đó:

$\sum_i n_i \cdot \mathrm{ON}_i = q$

trong đó $n_i$ là số nguyên tử của nguyên tố thứ $i$ , $\mathrm{ON}_i$ là số oxi hóa của nó và $q$ là điện tích tổng. Nhờ hệ thức này, chỉ cần biết vài giá trị quen thuộc là suy ra được phần còn lại. Chẳng hạn với $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ , gán oxi bằng $-2$ ta có $2x + 7(-2) = -2$ , suy ra $x = +6$ cho crom.

Các quy ước nền tảng khá ít: nguyên tố ở dạng đơn chất luôn mang giá trị $0$ , ion đơn nguyên tử mang đúng điện tích của nó, flo luôn là $-1$ , oxi thường là $-2$ (trừ trong peoxit là $-1$ ), còn hiđro là $+1$ khi gắn với phi kim và $-1$ trong hiđrua kim loại. Do đó, khi so sánh hai vế của một phương trình, nguyên tử nào tăng số oxi hóa thì đã nhường êlectron và đóng vai trò chất khử (reducing agent); nguyên tử nào giảm thì nhận êlectron và là chất oxi hóa (oxidizing agent). Tuy nhiên, cần phân biệt đại lượng này với điện tích hình thức (formal charge), vốn chia đôi cặp êlectron liên kết thay vì trao trọn cho một bên. Vì vậy, số oxi hóa chính là công cụ để đếm êlectron trao đổi khi cân bằng bán phản ứng trong pin điện hóa.

Ký hiệu

•ON, hoặc số La Mã trong ngoặc như Fe(III)
•viết dấu trước số (+2, −2) để phân biệt với điện tích ion (2+, 2−)

Trực giác: Giống như chia hóa đơn bàn ăn theo quy ước: mỗi món ăn chung thì ghi hết chi phí vào người đã gọi món đó — không phản ánh đúng việc ai thực sự gắp miếng nào, nhưng tổng tiền vẫn khớp.

Công thức

\htmlClass{fp-1}{\sum_{i=1}^{n}} \htmlClass{fp-0}{\text{ON}_i} = 0

Dùng cho hợp chất trung hòa về điện: tổng số oxi hóa của tất cả nguyên tử phải bằng 0.

Trong đó

\text{ON}_i

Số oxi hóa của nguyên tố thứ

i

trong hợp chất

n

Tổng số nguyên tố phân biệt trong công thức phân tử

\htmlClass{fp-1}{\sum_{i=1}^{n}} \htmlClass{fp-0}{\text{ON}_i} = q

Dùng cho ion đa nguyên tử: tổng số oxi hóa của tất cả nguyên tử bằng đúng điện tích $q$ của ion đó.

Trong đó

\text{ON}_i

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1938Antoine LavoisierFriedrich WöhlerDmitri MendeleevWendell Mitchell LatimerLinus Pauling

Hay hiểu sai

Oxi không phải lúc nào cũng có số oxi hóa $-2$ .

Số oxi hóa không phải điện tích thật của nguyên tử.

Tổng số oxi hóa trong ion đa nguyên tử bằng điện tích ion, không bằng không.

Kim loại chuyển tiếp không có số oxi hóa cố định, phải suy từ công thức.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Khi khảo sát tính chất hóa học của một nguyên tố kim loại E, học sinh cho 1.35 g E (khối lượng mol 27.0 g/mol) tác dụng vừa hết với dung dịch HCl dư. Khí H₂ thoát ra được thu và đo được thể tích 1.83 L ở 25.0 °C và áp suất 1.00 atm. Sản phẩm còn lại trong dung dịch là muối clorua của E. Cho R = 0.08206 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹.

aXác định số oxi hóa của hydrogen trong HCl và trong H₂, từ đó cho biết nguyên tố nào bị khử trong phản ứng.
bDựa vào số liệu thực nghiệm, hãy tính số oxi hóa của E trong muối clorua tạo thành. Trình bày rõ các bước tính.
cViết phương trình phản ứng đã cân bằng giữa E và HCl.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Phản ứng oxi hóa–khử (redox)” — khoá AP Chemistry

Cần trướcđộ âm điện ion

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

điện tích hình thức (formal charge)formal charge

Khác nhau ở đâuĐiện tích hình thức chia đều electron liên kết cho hai nguyên tử bất kể độ âm điện. Số oxi hóa gán toàn bộ electron liên kết cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Hay nhầm khikhi đề yêu cầu tính điện tích trên một nguyên tử trong phân tử hoặc ion đa nguyên tử

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 24, 26.

Số oxi hóa của nguyên tố thứ

i

trong ion

n

Tổng số nguyên tố phân biệt trong công thức ion

q

Điện tích của ion, ví dụ

q = -1

với

\text{NO}_3^-

Ý tưởng về mức độ bị oxi hóa của một nguyên tử bắt nguồn từ hệ thống hóa học lấy oxygen làm trung tâm của Antoine Lavoisier, và được nhà hóa học người Mỹ Wendell Mitchell Latimer phổ biến dưới tên gọi hiện nay trong cuốn sách năm 1938 của ông về thế điện hóa.

Vào cuối thế kỷ 18, Lavoisier định nghĩa sự oxi hóa là phản ứng của một chất với oxygen, và chính cách nhìn nhị nguyên lấy oxygen làm gốc ấy đã sinh ra nhu cầu đo xem một nguyên tử "bị oxi hóa đến mức nào". Năm 1835, Friedrich Wöhler gọi các mức đó là bậc oxi hóa, và Dmitri Mendeleev đã dùng chúng như một trong những bậc thang trí tuệ để dựng nên bảng tuần hoàn. Đến năm 1938, khi Latimer viết về thế điện hóa, ông cần một đại lượng nối trực tiếp với số electron trao đổi trong các cặp oxi hóa – khử; từ đó khái niệm gắn chặt với electron chứ không còn gắn với oxygen nữa. Năm 1948, Linus Pauling đề xuất xác định nó bằng cách kéo mọi liên kết về trạng thái ion hoàn toàn theo chiều độ âm điện (electronegativity).

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe lạ vì nó là di sản của một định nghĩa đã lỗi thời: với Lavoisier, "oxi hóa" nghĩa đen là kết hợp với oxygen, nên con số đo mức độ kết hợp ấy được gọi là số oxi hóa. Về sau ý nghĩa được tổng quát hóa thành sự mất electron một cách hình thức, nhưng cái tên cũ vẫn ở lại. Trước Latimer, tiếng Anh gọi đại lượng này bằng nhiều tên khác nhau như hóa trị, hóa trị phân cực (polar valence) hay số phân cực; thuật ngữ "oxidation state" mà ông dùng tương ứng với chữ Wertigkeit trong tiếng Đức. Do đó, đến năm 1948 IUPAC chính thức chọn cách gọi này thay cho hóa trị trong danh pháp, và từ đó hai lối nói số oxi hóa với trạng thái oxi hóa (oxidation state) được dùng gần như đồng nghĩa.

Mẹo phòng thi

Viết rõ số oxi hóa trước và sau phản ứng cho mỗi nguyên tố bị thay đổi.

Đừng lẫn chất bị oxi hóa với chất oxi hóa.

Kiểm tra lại bằng phép cộng tổng trước khi sang câu tiếp theo.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết ta gán số oxi hóa cho hydrogen ở hai phía. Trong HCl, chlorine có độ âm điện lớn hơn nên nhận trọn cặp electron liên kết, do đó hydrogen mang số oxi hóa

+1

còn chlorine mang

-1

. Trong khí H₂, hai nguyên tử giống hệt nhau nên electron được chia đều và mỗi nguyên tử có số oxi hóa bằng

0

, đúng theo quy tắc đơn chất. Vì hydrogen giảm từ

+1

xuống

0

, hydrogen đã nhận electron và bị khử; nói cách khác, ion

\text{H}^+

chính là chất oxi hóa (oxidizing agent), còn kim loại E bị oxi hóa.

2Bước 2: Tiếp theo, tính số mol khí H₂ bằng phương trình khí lí tưởng

n = PV/RT

. Thay số:

n_{\text{H}_2} = \dfrac{(1.00)(1.83)}{(0.08206)(298)} = \dfrac{1.83}{24.45} = 0.0748\ \text{mol}

. Con số này cho biết lượng hydrogen đã thoát ra khỏi dung dịch dưới dạng khí.

3Bước 3: Mỗi phân tử H₂ được tạo ra từ hai ion

\text{H}^+

, mà mỗi ion nhận 1 electron, nên số mol electron mà kim loại đã nhường bằng

n_{e^-} = 2 \times 0.0748 = 0.150\ \text{mol}

. Song song đó, số mol kim loại là

n_{\text{E}} = \dfrac{1.35}{27.0} = 0.0500\ \text{mol}

. Vì toàn bộ electron trong bán phản ứng (half-reaction) khử hydrogen đều đến từ E, hai đại lượng này phải khớp nhau về tỉ lệ.

4Bước 4: Lấy tỉ số để biết mỗi nguyên tử E nhường bao nhiêu electron:

\dfrac{0.150}{0.0500} = 3.00

. Vậy mỗi nguyên tử E mất 3 electron, chuyển từ số oxi hóa

0

trong đơn chất lên

+3

trong muối. Kiểm chứng bằng quy tắc tổng số oxi hóa: trong

\text{ECl}_3

trung hòa điện, ta có

x + 3(-1) = 0 \Rightarrow x = +3

, hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm.

5Bước 5: Cuối cùng, cân bằng phương trình sao cho số electron nhường bằng số electron nhận. Hai nguyên tử E nhường

2 \times 3 = 6

electron, vừa đủ cho 6 ion

\text{H}^+

tạo thành 3 phân tử H₂:

2\,\text{E}(s) + 6\,\text{HCl}(aq) \rightarrow 2\,\text{ECl}_3(aq) + 3\,\text{H}_2(g)

Phương trình này vừa cân bằng nguyên tử vừa cân bằng điện tích, đúng yêu cầu của một phản ứng oxi hóa – khử (redox reaction).

Hydrogen giảm số oxi hóa từ $+1$ (trong HCl) xuống $0$ (trong H₂) nên bị khử, còn kim loại E bị oxi hóa. Tỉ lệ 0.150 mol electron trên 0.0500 mol E cho thấy mỗi nguyên tử E nhường 3 electron, nghĩa là E có số oxi hóa $+3$ trong muối $\text{ECl}_3$ ; phản ứng tổng cộng là $2\,\text{E} + 6\,\text{HCl} \rightarrow 2\,\text{ECl}_3 + 3\,\text{H}_2$ .

2Ví dụ 2/2

Bromine là phi kim duy nhất tồn tại ở thể lỏng tại nhiệt độ phòng và 1 atm. Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế Br₂ bằng cách cho dung dịch chứa ion

\text{Br}^-

phản ứng với ion permanganate

\text{MnO}_4^-

trong môi trường acid, thu được

\text{Mn}^{2+}

\text{Br}_2

và nước. Ngoài ra, học sinh cũng được yêu cầu khảo sát số oxi hóa của bromine và oxygen trong một số tiểu phân liên quan.

aXác định số oxi hóa của bromine trong $\text{BrO}_3^-$ và của oxygen trong $\text{H}_2\text{O}_2$ .
bXác định sự thay đổi số oxi hóa của manganese và bromine trong phản ứng nêu trên, chỉ rõ chất bị oxi hóa và chất bị khử.
cViết phương trình ion đã cân bằng cho phản ứng giữa $\text{MnO}_4^-$ và $\text{Br}^-$ trong môi trường acid.

1Bước 1: Với ion

\text{BrO}_3^-

, ta áp dụng quy tắc oxygen mang số oxi hóa

-2

trong hầu hết hợp chất và tổng số oxi hóa của mọi nguyên tử phải bằng điện tích ion. Đặt số oxi hóa của bromine là

x

, ta có

x + 3(-2) = -1

, suy ra

x = +5

. Kết quả này hợp lí vì oxygen âm điện hơn bromine nên kéo electron về phía mình.

2Bước 2:

\text{H}_2\text{O}_2

lại là một trường hợp ngoại lệ đáng nhớ. Phân tử này chứa liên kết O–O, mà electron giữa hai nguyên tử giống nhau thì không được tính cho bên nào cả, nên mỗi oxygen chỉ "giành" được electron từ một nguyên tử hydrogen. Cụ thể, hydrogen vẫn là

+1

, do đó

2(+1) + 2y = 0

cho

y = -1

thay vì

-2

như thường lệ. Vì vậy peroxide luôn là chỗ dễ mất điểm nếu học sinh áp dụng quy tắc một cách máy móc.

3Bước 3: Chuyển sang phản ứng chính, ta gán số oxi hóa cho hai bên. Trong

\text{MnO}_4^-

x + 4(-2) = -1 \Rightarrow x = +7

, còn trong

\text{Mn}^{2+}

số oxi hóa bằng đúng điện tích ion đơn nguyên tử, tức

+2

. Manganese giảm từ

+7

xuống

+2

, tức nhận 5 electron, nên

\text{MnO}_4^-

bị khử và đóng vai trò chất oxi hóa. Ngược lại, bromine tăng từ

-1

trong

\text{Br}^-

lên

0

trong đơn chất

\text{Br}_2

, mất 1 electron mỗi nguyên tử, nên

\text{Br}^-

bị oxi hóa và là chất khử (reducing agent).

4Bước 4: Muốn cân bằng, số electron cho và nhận phải bằng nhau. Bội chung nhỏ nhất của 5 và 1 là 10, nên ta lấy 2 ion

\text{MnO}_4^-

(nhận

2 \times 5 = 10

electron) và 10 ion

\text{Br}^-

(nhường

10 \times 1 = 10

electron), tạo thành 5 phân tử

\text{Br}_2

. Tám nguyên tử oxygen từ hai ion permanganate đi vào 8 phân tử nước, kéo theo nhu cầu 16 ion

\text{H}^+

từ môi trường acid.

5Bước 5: Phương trình thu được là

2\,\text{MnO}_4^- + 10\,\text{Br}^- + 16\,\text{H}^+ \rightarrow 2\,\text{Mn}^{2+} + 5\,\text{Br}_2 + 8\,\text{H}_2\text{O}

Kiểm tra điện tích để chắc chắn: vế trái là

2(-1) + 10(-1) + 16(+1) = +4

, vế phải là

2(+2) = +4

. Nguyên tử cũng khớp: 2 Mn, 8 O, 10 Br và 16 H ở cả hai vế, nên phương trình đã cân bằng trọn vẹn.

Bromine trong $\text{BrO}_3^-$ có số oxi hóa $+5$ , còn oxygen trong $\text{H}_2\text{O}_2$ là $-1$ do liên kết O–O. Trong phản ứng điều chế Br₂, manganese giảm từ $+7$ xuống $+2$ nên $\text{MnO}_4^-$ bị khử, còn bromine tăng từ $-1$ lên $0$ nên $\text{Br}^-$ bị oxi hóa; phương trình cân bằng là $2\,\text{MnO}_4^- + 10\,\text{Br}^- + 16\,\text{H}^+ \rightarrow 2\,\text{Mn}^{2+} + 5\,\text{Br}_2 + 8\,\text{H}_2\text{O}$ .

Dẫn tớiphản ứng oxi hóa–khửdanh pháp (sắp có)

Liên quansự oxid hóa

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.