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氧化態(英文:Oxidation State)表示一個化合物中某個原子的氧化程度。形式氧化態是通過假設所有異核化學鍵都為100%離子鍵而算出來的。氧化態用阿拉伯數字表示,可以為正數、負數或是零。

1氧化態定義

氧化態(英文:Oxidation State)表示一個化合物中某個原子的氧化程度。形式氧化態是通過假設所有異核化學鍵都為100%離子鍵而算出來的。氧化態用阿拉伯數字錶示,可以為正數、負數或是零。
氧化態的升高稱為氧化,降低則稱為還原。這兩個過程涉及電子的形式轉移,即總體上看,還原是獲得電子的過程,而氧化是失去電子的過程。
IUPAC對氧化態的定義為:[1]
「氧化態:一種化學物質中某個原子氧化程度的量度。根據以下公認的規則可計算該原子的電荷:(1)單質的氧化態為零;(2)對於單原子離子,該原子的氧化態與離子的凈電荷相等;(3)大多數化合物中,氫的氧化態為1,氧的氧化態為-2。(例外有:活潑金屬氫化物中,氫的氧化態為-1;過氧化物中,氧的氧化態為-1;)(4)中性分子中,各原子氧化態的代數和為零;離子中,各原子氧化態代數和與離子的電荷相等。例如,H2S,S8 (單質硫),SO2,SO3 和 H2SO4 中,硫原子的氧化態分別為:-2,0,+4,+6 和 +6。某原子的氧化態越高,其氧化程度越高;某原子的氧化態越低,其還原程度越高。」

2計算方法

從路易斯結構計算
當一個分子的路易斯結構可以被畫出來時,很明顯氧化態可通過比較中性原子的價電子數和路易斯結構中該原子所擁有的電子數來計算。為了計算,異核化學鍵的成鍵電子歸屬於電負性較強的原子;同核化學鍵的成鍵電子在兩個原子間平等分配;而孤對電子則歸屬於其相應含有孤對電子的原子。
例如,對於乙酸:
由於碳電負性高於氫,因此甲基中的碳原子具有6個價電子。同理,由於是同核化學鍵,因而這個碳原子在 C-C 鍵中獲得1個價電子。加上前面的6個則總共有7個價電子。中性碳原子有4個價電子(碳位於第14族),因此甲基碳的氧化態為 4 - 7 = -3(C3-),當然這是在假設所有鍵都是離子鍵的前提下得出的。
使用相同的規則可以得出,羧基中碳原子的氧化態為+3。具體過程為:C-C 鍵中碳原子分得一個價電子;C=O 鍵和 C-O 鍵中,由於氧電負性大於碳,因此所有的成鍵電子都歸屬於氧。中性碳原子的4個價電子減去1個價電子即得到+3氧化態。而所有氧原子的氧化態則為-2(C=O:6-(6+2)=-2,C-O-H:6-(6+1+1)=-2),所有氫原子的氧化態都為+1。
氧化態可被用於氧化還原反應方程式的配平,因為氧化反應和還原反應中電子轉移是相等的。例如:在托倫試劑(銀氨溶液)氧化乙醛為乙酸的反應中,羰基碳原子的氧化態由+1變為+3,而銀原子的氧化態則由+1變為0。因此配平時需要2mol的銀離子。
Change in oxidation state in Tollens reaction

不用路易斯結構計算

* 中性分子中各原子氧化態的代數和必須為零,而離子中各原子氧化態的代數和與離子電荷相等。
* 一些元素具有特定的氧化態。
以上兩點可用來計算較簡單的化合物中各原子的氧化態。相應的規則有:
* 氟在其所有的化合物中都呈現-1氧化態,因為其電負性在所有元素中是最強的。
* 除非與更加電正性的元素如鈉、硼和鋁相連,氫總是呈現+1氧化態。呈-1氧化態的例子有 NaH、LiAlH4 和 NaBH4 等。
* 氧一般為-2氧化態,除了過氧化物中為-1,超氧化物中為-1/2,臭氧化物中為-1/3,OF2 中為+2,O2F2 中為+1。
* 鹼金屬幾乎任何時候都為+1氧化態,例外是鹼化物。
* 鹼土金屬幾乎任何時候都為+2氧化態。
* 除非與氧、氮或其他鹵素相連,除氟外的鹵素都呈-1氧化態。
例如:根據以上規則,在 Cr(OH)3 中,氧為-2氧化態,氫為+1,因此三個氫氧根的氧化態和為-3。因而 Cr 的氧化態為+3。
具有多氧化態的元素
大多數都具有可變的氧化態,例如碳可有九種:
1. –4: CH4
2. –3: C2H6
3. –2: CH3F
4. –1: C2H2
5. 0: CH2F2
6. +1: C2H2F4
7. +2: CHF3
8. +3: C2F6
9. +4: CF4
氧有八種氧化態:
1. -2 多數氧化物中,如 ZnO,CO2,H2O
2. -1 所有過氧化物中
3. -1/2 超氧化物中,如 KO2
4. -1/3 臭氧化物中,如 KO3
5. 0價 單質氧氣中 O2,(次氟酸HOF中一般也認為是氧為0價)
6. +1/2 如O2PtF6
7. +1 O2F2 中
8. +2 OF2 中
分數氧化態
路易斯結構中,某原子的形式氧化態總是整數,然而也常用分數氧化態來表示化合物中幾個原子的平均氧化態。例如 KO2 中,氧原子的平均氧化態為-1/2,而兩個氧原子的氧化態則分別為0和-1。在有些情況中,由於共振,幾個原子可能是等同的。這種情況下一個路易斯結構式無法表示其真實結構,必須要用多個結構來表示。
氧化數
主條目:氧化數
氧化態和氧化數常常不加區分地使用。然而在配位化學中,氧化數與氧化態是有區別的。計算氧化數時,配體佔有成配位鍵的電子,不考慮電負性差異。而且氧化數也是用羅馬數字而不是阿拉伯數字來表示的。

3歷史

1938年,W. M. Latimer 首先引入了氧化態的概念。氧化則是由拉瓦錫提出的:他認為氧化是元素與氧化合的過程,產物是任何含氧的鹽類。[2]
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