形式氧化态的计算
有两种方法可以计算化合物中某原子的氧化态。第一种方法适用于有
路易斯结构的分子,通常情况下为
有机分子;而第二种方法不需要路易斯结构,也不必为分子,适用于较简单的化合物。
需要注意的是,一个原子的氧化态并不等于这个原子的实际电荷。尤其对于高氧化态的原子而言,其生成高价
阳离子的电离能可能要比
化学反应中实际的能量高出很多。原子之间氧化态的分配纯粹是形式上的。这种方法有助于理解化学反应的机理。
从路易斯结构计算
当一个分子的路易斯结构可以被画出来时,很明显氧化态可通过比较中性原子的
价电子数和
路易斯结构中该原子所拥有的电子数来计算。为了计算,异核化学键的成键电子归属于
电负性较强的原子;同核化学键的成键电子在两个原子间平等分配;而
孤对电子则归属于其相应含有孤对电子的原子。
由于碳电负性高于氢,因此
甲基中的碳原子具有6个价电子。同理,由于是同核化学键,因而这个碳原子在 C-C 键中获得1个价电子。加上前面的6个则总共有7个价电子。中性碳原子有4个价电子(碳位于第14族),因此甲基碳的氧化态为 4 - 7 = -3(C3-),当然这是在假设所有键都是离子键的前提下得出的。
使用相同的规则可以得出,羧基中
碳原子的氧化态为+3。具体过程为:C-C 键中
碳原子分得一个价电子;C=O 键和 C-O 键中,由于氧
电负性大于碳,因此所有的成键电子都归属于氧。中性碳原子的4个价电子减去1个价电子即得到+3氧化态。而所有氧原子的氧化态则为-2(C=O:6-(6+2)=-2,C-O-H:6-(6+1+1)=-2),所有氢原子的氧化态都为+1。
Change in oxidation state in Tollens reaction
不用路易斯结构计算
* 中性分子中各原子氧化态的代数和必须为零,而离子中各原子氧化态的代数和与离子电荷相等。
* 一些元素具有特定的氧化态。
以上两点可用来计算较简单的化合物中各原子的氧化态。相应的规则有:
* 氟在其所有的化合物中都呈现-1氧化态,因为其
电负性在所有元素中是最强的。
* 除非与更加电正性的元素如钠、硼和铝相连,氢总是呈现+1氧化态。呈-1氧化态的例子有 NaH、LiAlH4 和 NaBH4 等。
* 氧一般为-2氧化态,除了
过氧化物中为-1,超氧化物中为-1/2,
臭氧化物中为-1/3,OF2 中为+2,O2F2 中为+1。
* 碱金属几乎任何时候都为+1氧化态,例外是
碱化物。
* 除非与氧、氮或其他卤素相连,除氟外的卤素都呈-1氧化态。
例如:根据以上规则,在 Cr(OH)3 中,氧为-2氧化态,氢为+1,因此三个氢氧根的氧化态和为-3。因而 Cr 的氧化态为+3。
具有多氧化态的元素
大多数都具有可变的氧化态,例如碳可有九种:
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
氧有八种氧化态:
1. -2 多数氧化物中,如 ZnO,CO2,H2O
2. -1 所有过氧化物中
3. -1/2 超氧化物中,如 KO2
5. 0价 单质氧气中 O2,(次氟酸HOF中一般也认为是氧为0价)
6. +1/2 如O2PtF6
7. +1 O2F2 中
8. +2 OF2 中
分数氧化态
路易斯结构中,某原子的形式氧化态总是整数,然而也常用分数氧化态来表示化合物中几个原子的平均氧化态。例如 KO2 中,
氧原子的平均氧化态为-1/2,而两个氧原子的氧化态则分别为0和-1。在有些情况中,由于共振,几个原子可能是等同的。这种情况下一个
路易斯结构式无法表示其真实结构,必须要用多个结构来表示。