Օքսիդացման աստիճան

Քիմիկոսներն օգտագործում են օքսիդացման աստիճան (երբեմն նաև օքսիդացման վիճակ) հասկացությունը, որպեսզի հետևեն ատոմում էլեկտրոնների թվի փոփոխությունը: Օքսիդացման աստիճանները միշտ չէ, որ համապատասխանում են մոլեկուլներում իրական լիցքերին: Մենք կարող ենք հաշվել կովալենտային (ինչպես նաև իոնային) կապերի առաջացմանը մասնակցող ատոմների օքսիդացման աստիճանները:

Եկեք քննարկենք օքսիդացման աստիճանը մի քանի օրինակով:

Օքսիդացման աստիճանը գրելիս նախ դրվում է $+$‍ կամ $-$‍ նշանը, ապա գրվում է իոնի լիցքի բացարձակ մեծությունը: Քիմիկոսներն օքսիդացման աստիճանները որոշելու համար օգտվում են հետևյալ ուղեցույցներից.

Քայլ $1.$‍Պարզ նյութերում կամ տարրական վիճակում ատոմների օքսիդացման աստիճանy $0$‍ է:

Քայլ $2.$‍Միատոմ (այսինքն՝ մեկ ատոմ պարունակող) իոններում ատոմների օքսիդացման աստիճանը հավասար է իոնի լիցքին:

Քայլ $3.$‍Միացություններում ֆտորի օքսիդացման աստիճանը $-1$‍ է, թթվածնինը՝ սովորաբար $-2$‍ (բացի պերօքսիդներից, որոնցում այն $-1$‍ է, և ֆտորի հետ բինար (երկտարր) միացություններից, որտեղ այն դրական է): Ջրածնի օքսիդացման աստիճանը սովորաբար $+1$‍ է, բացի այն դեպքերից, երբ այն հանդես է գալիս հիդրիդ իոնի տեսքով՝ ${\text{H}}^{-}$‍, որի դեպքում գործում է կանոն $2$‍-ը:

Քայլ 4. Միացություններում կամ իոններում մյուս բոլոր ատոմներին տրվում է այնպիսի օքսիդացման աստիճաններ, որ միացության կամ իոնները կազմող բոլոր ատոմների օքսիդացման աստիճանների գումարը հավասար լինի համապատասխան մասնիկի (մոլեկուլի կամ իոնի) լիցքին։

Ուղեցույցն օգտագործելիս հաճախ սկսում ենք $1$‍-ին կանոնից և, հետևելով դրան, անցնում ենք բոլոր կետերով։ Այդ հերթականությանը հետևելով՝ սկզբում գրում ենք այն ատոմների օքսիդացման աստիճանները, որոնք հեշտ են որոշվում, ապա բացառման եղանակով անցնում ենք ավելի բարդերին։

Օրինակ՝ ի՞նչ օքսիդացման աստիճան է ցուցաբերում ջրածինը ${\text{H}}_2$‍-ում և ${\text{H}}_2\text{O}$‍-ում։

${\text{H}}_2$‍. այստեղ կարող ենք օգտագործել $1$‍-ին կանոնը։ Քանի որ ${\text{H}}_2$‍-ը պարզ նյութ է, ապա ջրածնի ատոմի օքսիդացման աստիճանը հավասար է $0$‍-ի։

${\text{H}}_2\text{O}$‍. $1$‍-ին և $2$‍-րդ կանոնները կիրառելի չեն այս դեպքի համար, և կարող ենք բաց թողնել դրանք: Համաձայն $3$‍-րդ կանոնի՝ ջրածինը սովորաբար ցուցաբերում է $+1$‍ օքսիդացման աստիճան՝ բացի հիդրիդներից։ Ջուրը չի դասվում հիդրիդների շարքին, բայց եթե վստահ չենք՝ արդյոք ջրածինը ցուցաբերում է $+1$‍, թե $-1$‍ օքսիդացման աստիճան, ստուգելու համար կարող ենք օգտվել $4$‍-րդ կանոնից։

Համաձայն $4$‍-րդ կանոնի՝ միացության մեջ բոլոր ատոմների օքսիդացման աստիճանների գումարը պետք է հավասար լինի միացության լիցքին, իսկ ըստ $3$‍-րդ կանոնի՝ թթվածինը սովորաբար ցուցաբերում է $-2$‍ օքսիդացման աստիճան։ Ջուրը չեզոք նյութ է, բոլոր ատոմների օքսիդացման աստիճանների գումարը պետք է հավասար լինի $0$‍-ի։ Եթե ջրածնին վերագրենք $-1$‍ օքսիդացման աստիճան՝ մտածելով, որ այն հանդես է գալիս հիդրիդ իոնի տեսքով, օքսիդացման աստիճանների գումարը կլինի.

Սխալ է։ Եթե փոխարենն օգտագործենք ջրածնի $+1$‍ օքսիդացման աստիճանը, գումարը կստացվի $(-2\cdot 1)+(+1\cdot 2)=0$‍, ինչը սպասելի էր չեզոք մոլեկուլի համար։ Այսպիսով՝ օգտագործելով $3$‍-րդ ու $4$‍-րդ կանոնները կարող ենք ասել, որ ${\text{H}}_2\text{O}$‍-ի մոլեկուլում ջրածնի օքսիդացման աստիճանը $+1$‍ է։

Այժմ հետևելով կանոններին՝ կարող ենք որոշել օքսիդացման աստիճանները։ Դա, իհարկե, շատ լավ է, բայց ինչո՞ւ են մեզ անհրաժեշտ օքսիդացման աստիճանները։ Դրանք, ի վերջո, իրականում երևակայական են:

Քիմիկոսները հաճախ են հետևում էլեկտրոններին, քանի որ մենք ուզում ենք իմանալ, թե երբ են էլեկտրոնները անցում կատարում մի ատոմից մյուսը։ Վերը բերված օրինակում կարող ենք տեսնել, որ ${\text{H}}_2$‍-ում և ${\text{H}}_2\text{O}$‍-ում ջրածինը ցուցաբերում է տարբեր օքսիդացման աստիճաններ։ Համեմատելով օքսիդացման աստիճանները՝ քիմիկոսը կասեր, որ ջրածինը ջրում ունի ավելի քիչ էլեկտրոն, քան պարզ նյութ ջրածինը։

Ահա այն քիմիական ռեակցիայի հավասարումը, որը ներկայացնում է ջրի ստացումը՝ ջրածին և թթվածին գազերի փոխազդեցությունից.

Ինչպես նկատեցինք, այս ռեակցիան ոչ միայն ներառում է հին կապերի քանդում և նորերի առաջացում, այլև ${\text{H}}_2$‍-ի մեջ մտնող ջրածնի ատոմներից էլեկտրոնների կորուստ։ Քիմիկոսները հատուկ եզրույթներ են օգտագործում էլեկտրոններ կորցնելու կամ ստանալու գործընթացը նկարագրելու համար.

Օքսիդացումը ատոմի կողմից մեկ կամ ավելի էլեկտրոնների կորուստն է։ Երբ տարրի օքսիդացման աստիճանը մեծանում է, նշանակում է՝ տեղի է ունենում էլեկտրոնների կորուստ, և տարրն օքսիդանում է։ Վերևի ռեակցիայում ${\text{H}}_2$‍-ը օքսիդանում է, քանի որ դրանում եղած ջրածնի ատոմներից յուրաքանչյուրը կորցնում է էլեկտրոն, որպեսզի առաջացնի ${\text{H}}_2\text{O}$‍։ Էլեկտրոնների կորուստը նկատելի է օքսիդացման աստիճանի փոփոխությունից, որը $0$‍-ից դառնում է $+1$‍. ջրածնի ատոմը կորցնում է բացասական լիցք ունեցող էլեկտրոն, ինչի հետևանքով օքսիդացման աստիճանը մեծանում է։

Վերականգնումն ատոմի կողմից մեկ կամ ավելի էլեկտրոնների ստացումն է: Երբ տարրի օքսիդացման աստիճանը փոքրանում է, նշանակում է՝ տեղի է ունենում էլեկտրոնների ստացում, և տարրը վերականգնվում է։ Ջրի առաջացման ռեակցիայում ${\text{O}}_2$‍-ը վերականգնվում է, քանի որ թթվածնի յուրաքանչյուր ատոմի օքսիդացման աստիճանը $2$‍ բացասական լիցքավորված էլեկտրոն ստանալու հետևանքով փոքրանում է $0$‍-ից $-2$‍:

Մի քանի եղանակ՝ օքսիդացումը և վերականգնումը հիշելու համար.

$1.$‍ՕԿԷ ՎՍԷ. «Օքսիդացումը Կորուստն Է», իսկ «Վերականգնումը Ստացումն Է»

$2.$‍ԷԿՈ ԷՍՎ. «Էլեկտրոնի Կորուստը Օքսիդացում է», իսկ «Էլեկտրոնի Ստացումը Վերականգնում է»

Օքսիդիչ և վերականգնիչ հասկացությունները սերտ կապված են օքսիդացման և վերականգնման գործընթացների հետ:

Վերականգնիչը կորցնում է էլեկտրոններ, այսինքն՝ օքսիդանում է քիմիական ռեակցիայի ընթացքում: Մեր օրինակում ${\text{H}}_2$‍-ն իրեն դրսևորում է ինչպես վերականգնիչ, քանի որ այն օքսիդանում է և վերականգնում ${\text{O}}_2$‍-ը:

Օքսիդիչը ստանում է էլեկտրոններ և քիմիական ռեակցիայի ընթացքում վերականգնվում է։ Մեր օրինակում ${\text{O}}_2$‍-ը օքսիդիչ է, քանի որ այն պատասխանատու է վերականգնիչ ${\text{H}}_2$‍-ին օքսիդացնելու համար։

Ավելի շատ օրինակների համար տե՛ս այս տեսանյութը՝ օքսիդացման և վերականգման մասին, և այս տեսանյութը՝ օքսիդիչների և վերականգնիչների մասին։

Քիմիական ռեակցիաները, որոնց ժամանակ տեղի է ունենում էլեկտրոնների անցում, կոչվում են օքսիդացման-վերականգնման կամ վերօքս ռեակցիաներ։ Օքսիդացման աստիճանների փոփոխությունը հուշում է, որ տեղի է ունեցել էլեկտրոնների անցում։ Բոլոր վերօքս ռեակցիաների ժամանակ տեղի է ունենում և՛ օքսիդացում, և՛ վերականգնում։

Այրման, տեղակալման, քայքայման և սինթեզի որոշ ռեակցիաներ դասվում են վերօքս ռեակցիաների շարքին։ Օքսիդացման աստիճանները և վերօքս ռեակցիաները կարևոր հասկացություններ են քիմիայի ավելի բարդ բաժիններում, ինչպիսիք են կենսաքիմիան, էլեկտրաքիմիան, օրգանական քիմիան և անօրգանական քիմիան: Այս հոդվածում շատ չենք մանրամասնելու վերօքս ռեակցիաները, բայց հիշիր, որ օքսիդացման աստիճանների հետ հեշտությամբ աշխատելու կարիքը դեռ կունենանք։

Օքսիդացման աստիճանները քիմիկոսներն օգտագործում են միացություններում էլեկտրոնների թվի փոփոխության մասին պատկերացում կազմելու համար։ Ատոմների օքսիդացման աստիճանները միացություններում որոշելու համար մենք կարող ենք օգտվել համապտասխան ուղեցույցներից: Քիմիական ռեակցիաներում օքսիդացման աստիճանների փոփոխությունը էլեկտրոնների անցման արդյունք է։ Ռեակցիաները, որոնց ժամանակ տեղի է ունենում էլեկտրոնների անցում, կոչվում են վերօքս ռեակցիաներ և ներառում են վերականգնում (Էլեկտրոնի ստացում) ու օքսիդացում (էլեկտրոնների կորուստ)։ Վերականգնվող միացությունը կոչվում է օքսիդիչ, իսկ օքսիդացողը՝ վերականգնիչ։