Oxidationstal

Oxidationstal (OT) är ett sätt att hålla koll på elektronerna under en kemisk reaktion. Detta kan användas för att snabbt identifiera oxidationer och reduktioner bara genom att titta på en reaktionsformel. Som vi ska se i en senare artikel kan det även användas för att balansera reaktionsformler för redoxreaktioner.

Bakgrund

I artikeln om redoxreaktioner tittade vi på olika exempel på redoxreaktioner. Vid vissa av dem sker fullständiga elektronövergångar, exempelvis den här:

\(\mathrm{Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \longrightarrow Fe^{2+}(aq) + Cu(s)}\,,\)

där det är lätt att identifiera oxidationen (järn avger elektroner) och reduktionen (koppar upptar elektroner).

Vid andra redoxreaktioner sker det endast partiella (delvisa) elektronövergångar. Ett exempel är denna reaktion:

\(\mathrm{2H_2(g) + O_2(g) \longrightarrow 2H_2O(g)}\,.\)

I dessa fall är det inte alltid så tydligt vilket ämne som oxideras och vilket som reduceras. I just detta fallet lyckades vi resonera oss fram till att vätet oxideras och syret reduceras, genom att använda elektronegativitet för att avgöra vilket atomslag som de olika bindningselektronerna tillhör.

Hur fungerar oxidationstal?

Oxidationstal är ett sätt att effektivisera resonemanget vi förde ovan för att visa att förbränningen av väte var en redoxreaktion. Grundtanken är att man föreställer sig att alla polära kovalenta bindningar är jonbindningar och kollar vilka laddningar de olika atomerna får.

Mer exakt gäller följande regler (de två sista följer egentligen av de två första):

  • Kovalenta bindningar görs om till jonbindningar, där alla bindningselektronerna går till den mest elektronegativa atomen i varje bindning.  Om två likadana atomer binder kovalent till varandra delas bindningselektronerna upp lika mellan dem.
  • Joner får samma oxidationstal som sin laddning.
  • Oladdade grundämnen får oxidationstalet 0.
  • Summan av alla oxidationstal i en förening är lika med laddningen för föreningen. Detta gäller både för molekyler och joner. (Exempelvis ska summan bli 0 i H2O och −2 i CO32−.)

Notera: Oxidationstal skrivs oftast med tecken och romerska siffror (exempelvis +IV eller −II). Även om det är mindre tydligt, förekommer det ibland att vanliga arabiska siffror används, och att plustecken utelämnas. Lägg också märke till att tecknet för oxidationstal skrivs före siffran; för laddningar (exempelvis 4+ eller 2−) är det tvärtom.

Exempel 1Svar

Vilket OT har vätena i H2 och järnet i Fe2+?

Vätgasmolekyl där bindningselektronerna har delats lika.

Väteatomerna i vätgas har oxidationstalet 0. Det kan vi se på två sätt. Dels genom att vätgas är ett grundämne, och dels genom att dela upp bindningselektronerna i H2 så att vi får en valenselektron per väteatom. En väteatom med en valenselektron är som bekant oladdad.

Järnjonen har laddningen 2+, och därmed har järnet oxidationstalet +II.

Exempel 2Svar
Sätt ut oxidationstal för reaktanter och produkter i reaktionen mellan järn och kopparjoner:

\(\mathrm{Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \longrightarrow Fe^{2+} + Cu(s)}\,.\)

\(\mathrm{Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \longrightarrow Fe^{2+} + Cu(s)}\)

Fe är ett oladdat grundämne och har därför 0 som OT. Cu2+ har laddningen 2+ och således OT +II. Fe2+ har med samma argument också OT +II. Cu har 0 som OT.

Notera att järns oxidationstal ökar (från 0 till +II) och koppars oxidationstal minskar (från +II till 0).

Exempel 3Svar

Sätt ut oxidationstal för alla atomer i reaktanter och produkter i förbränningen av vätgas:

\(\mathrm{2H_2(g) + O_2(g) \longrightarrow 2H_2O(g)}\,. \)

\(\mathrm{2H_2(g) + O_2(g) \longrightarrow 2H_2O(g)}\)

Vi har redan sett att väteatomerna i H2 har OT 0.

På motsvarande sätt kommer vi fram till att syreatomerna i O2 också har OT 0.

Lewisstruktur for vattenmolekyl där det markeras att syret har fått alla fyra bindningselektronerna.

I vattnet föreställer vi oss att alla bindningselektroner övergår till syret. Syret får då 8 valenselektroner, vilket är 2 mer än vad en neutral syreatom har enligt periodiska systemet. Detta innebär att syreatomen har OT −II. Vätet får 0 valenslelektroner, vilket är en färre än vad en neutral väteatom har. Detta innebär att väteatomerna får OT +I.

Notera att väteatomernas OT ökar från 0 till +I, och att syreatomerna OT minskar från 0 till −II.

Hur tolkar man oxidationstal?

När ett ämne oxideras blir det av med elektroner, får större positiv laddning och högre (mer positivt) oxidationstal. När ett ämne reduceras får det elektroner, får större negativ laddning och lägre (mer negativt) oxidationstal. (En minnesregel för detta är att ordet "reducera" i vardagliga sammanhang betyder just "minska".) Scrolla gärna upp och kontrollera att detta stämmer för reaktionen mellan järn och kopparjoner, och reaktionen mellan väte och syre.

Man kan också uttrycka det som att ju högre oxidationstal en atom har, desto mer oxiderad är den, och omvänt: att ju lägre oxidationstal en atom har, desto mer reducerad är den.

Exempel 4Svar

En av farorna med att få i sig träsprit (metanol) är att enzymer i kroppen omvandlar det till myrsyra som försurar kroppen. Använd OT för att avgöra om kolatomen i metanol oxideras eller reduceras vid denna process. Strukturformler för metanol och myrsyra.

Slå upp en tabell med elektronegativiteter, om du inte redan vet att syre är mer elektronegativt än kol, som i sin tur är mer elektronegativt än väte. Vi låter elektronerna i varje bindning övergå till den mest elektronegativa atomen:

Strukturformler för metanol och myrsyra där elektronerna har övergått till det mest elektronegativa atomslaget.

Vi ser då att kolatomen med vårt tankesätt "äger" 6 valenselektroner innan reaktionen, och 2 valenselektroner efter reaktionen. En neutral kolatom har enligt periodiska systemet 4 valenselektroner. Det betyder att kolet har ett överskott på 2 elektroner innan reaktionen, och därmed OT −II, samt har ett underskott på två elektroner efter reaktionen, och därmed OT +II.

Kolatomen ökar alltså sitt OT under reaktionen, och oxideras således vid processen.

Tips: En bra rutin när man räknar ut OT för atomerna i en kemisk förening är att kontrollräkna OT så att summan blir lika med föreningens laddning. I detta fallet får vi 1+1+1+1+(-2)+(-2)=0 för metanol, och (-2)+(-2)+2+1+1=0 för myrsyra, vilket stämmer med att både metanol och myrsyra är oladdade föreningar.

Tumregler för oxidationstal

Ibland är det jobbigt att behöva rita rita upp strukturen för det ämne vars atomer man vill bestämma oxidationstalet på. Det kan då vara bra att lära sig följande tumregler utantill:

  • F har alltid −I som OT i kemiska föreningar med andra ämnen.
    Det beror på att fluor är det mest elektronegativa av alla atomslagen, och därmed alltid kommer att "äga" elektronerna i en kovalent bindning med ett annat atomslag.
  • O har alltid −II som OT i kemiska föreningar med andra ämnen, förutom i bindning med F. Detta beror på att syre är det mest elektronegativa av alla atomslag näst efter fluor. Viktiga undantag är peroxider, eftersom syre där binder till syre.
  • H har oftast +I som OT i förening med andra icke-metaller.
    Detta eftersom väte är mindre elektronegativt än nästan alla icke-metaller. Atomslaget bor (B) är ett viktigt undantag.

Kom dock ihåg att detta är just tumregler. Regeln om att man föreställer sig att elektronerna går till den mest elektronegativa atomen i en kovalent bindning är däremot allmängiltig.

Exempel 5Svar

Bestäm OT för alla atomerna i O2, F2 och H2.

Alla atomerna har OT 0 i samtliga dessa molekyler, eftersom det är fråga om oladdade grundämnen.

Kommentar: Ett vanligt misstag är att svara att syreatomernas OT är −II, att fluoratomernas OT är −I och att vätenas OT är +I. Gör man det har man tillämpat tumreglerna ovan blint utan att varken ha läst dem ordentligt eller förstått varför de gäller. Var alltid på din vakt mot sådana misstag!

Exempel 6Svar

Bestäm oxidationstalet för alla atomerna i
a) ammoniak, NH3
b) nitratjonen, NO3.

a) Tumreglerna ovan ger att varje väteatom har OT +I här. Vidare vet vi att NH3 är en oladdad förening. Alltså måste kväveatomen ha ett OT sådant att det sammanlagda oxidationstalet för ammoniak blir 0. Anta att kväveatomen har OT x. Då gäller att

\(1+1+1+x=0\Leftrightarrow x=-3\,.\)

Slutsats: Kväveatomen har OT −III i ammoniak.

b) I NO3− vet vi enligt tumregelerna att varje syreatom har OT −II. Eftersom nitratjonen har laddningen 1−, så vi att vi att summan av alla oxidationstalen ska bli −1. Anta att kväveatomen har x som OT. Då måste

\((-2)+(-2)+(-2)+x=-1\Leftrightarrow x=5\,.\)

Slutsats: Kväveatomen har OT +V i nitratjonen.

Kommentar: Av detta kan vi dra slutsatsen att kväves oxidationstal kan variera kraftigt, och att det därmed inte går att ge någon bra tumregel för kväves oxidationstal. Prova som övning gärna att räkna ut OT för NO2, NO, N2O och N2 också. (Rätt svar är +IV, +II, +I och 0.)

Övningsuppgifter

Testa dig själv med följande övningsuppgifter.

Uppgift 1Svar

Ange den empiriska formeln för järn(III)oxid.

Detta är en jonförening bestående av järnjoner och oxidjoner. Järnet har uppenbarligen OT +III (det är detta man menar när man skriver "järn(III)"), så järnjonerna måste ha laddningen 3+ och är alltså Fe3+. De enda oxidjoner som finns är O2−, vilket stämmer överens med tumregeln att syre har OT −II i föreningar.

En jonförening måste vara oladdad som helhet. Därmed vet vi att antalet järnatomer ska vara sådant att det tar ut oxidjonernas negativa laddning. Detta måste innebära att mängdförhållande är 2:3 (två järnjoner har laddningen 6+, och tre oxidjoner har laddningen 6−). Detta går inte att förkorta ytterligare. Alltså är den empiriska formeln Fe2O3.

Uppgift 2Svar

Bestäm oxidationstalet för syre i föreningen OF2.

Fluor har alltid −I som OT i föreningar. Syre tappar sina elektroner i bindningarna till fluor, då fluor är mer elektronegativt. Fluor har −I som OT, och för att molekylen ska vara oladdad måste syre ha +II som OT.

Kommentar: Ett vanligt misstag här är att glömma bort att tumregeln att syre har OT −II enbart gäller när syre är bundet till andra atomslag än fluor. Missar man detta blir uppgiften olösbar eftersom man får två tumregler som verkar motsäga varandra.

Uppgift 3 (medlemsuppgift)
Här finns en extra övningsuppgift om oxidationstal i jonföreningar som visas för dig med ett studentkonto eller skolkonto.
Uppgift 4 (medlemsuppgift)
Här finns en extra övningsuppgift om ett av undantagen till tumreglerna ovan, som visas för dig med ett studentkonto eller skolkonto.
Uppgift 5Svar

Ange vilket atomslag som oxideras och vilket atomslag som reduceras vid reaktionen

\(\mathrm{CH_4(g) + 2O_2(g) \longrightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g)}\,.\)

Vi sätter ut oxidationstal för alla atomslag i reaktanterna respektive produkterna, och kollar sedan hur dessa oxidationstal ändras under reaktionens gång.

Metan (CH4). Vätena har OT +I enligt tumreglerna. Eftersom metanmolekylerna är oladdade måste kolet därför ha OT −IV.

Syrgas (O2). Detta är ett grundämne. Syrena har därför OT 0.

Koldioxid (CO2). Syrena har OT −II enligt tumreglerna. Eftersom koldioxidmolekylerna är oladdade måste kolet därför ha OT +IV.

Vatten (H2O). Syret har OT −II, och vätena har OT +I enligt tumreglerna.

Kol går från att ha OT −IV till att ha OT +IV. Detta är en ökning av oxidationstalet. Alltså oxideras kolet (förlorar elektroner).

Väte har OT +I både före och efter reaktionen. Alltså varken oxideras eller reduceras väte nämnvärt.

Syre går från att ha OT 0 till att ha OT −II. Detta är en minskning av oxidationstalet. Alltså reduceras syret (vinner elektroner).

Svar: Kol oxideras, syre reduceras.

Kommentar: Jämför gärna detta med det komplicerade resonemang som vi förde i den allmänna artikeln om redoxreaktioner. Vi kom till samma slutsats, men det var mycket jobbigare.


Artikeln skriven av Oskar Henriksson och Matias Ekstrand. Lämna feedback / ställ en fråga.
Publicerad 11 april 2009. Senast uppdaterad 4 december 2016.

Kommentarer är stängda