اعداد اکسیداسیون، همچنین به عنوان حالت های اکسیداسیون شناخته می شوند، نقش مهمی در درک واکنش های الکتروشیمیایی دارند. این اعداد به تعیین نحوه توزیع الکترون ها بین اتم های یک مولکول یا یک یون کمک می کنند. دانستن وضعیت اکسیداسیون هر عنصر در یک ترکیب برای پیش‌بینی نتیجه واکنش‌های الکتروشیمیایی، که در قلب بسیاری از فناوری‌ها، از جمله باتری‌ها و جلوگیری از خوردگی هستند، ضروری است.
عدد اکسیداسیون یک عدد نظری است که به یک اتم در یک مولکول یا یون اختصاص داده می‌شود که بار الکتریکی کلی آن اتم را نشان می‌دهد. این بر اساس مجموعه ای از قوانین است که تخصیص الکترون در پیوندها را در نظر می گیرد:
این قوانین به عنوان پایه ای برای تعیین اعداد اکسیداسیون در مولکول ها و یون های پیچیده تر عمل می کنند.
مثال 1: آب (H2O)
طبق قوانین، اکسیژن دارای عدد اکسیداسیون 2- است. از آنجایی که دو هیدروژن وجود دارد و هر هیدروژن دارای عدد اکسیداسیون +1 است، بار کلی هیدروژن ها برابر با 2+ است. این با بار -2 اکسیژن متعادل می شود و مولکول را خنثی می کند.
مثال 2: کلرید سدیم (NaCl)
سدیم، یک فلز، هنگام تشکیل یون حالت اکسیداسیون +1 دارد. کلر، در این ترکیب، حالت اکسیداسیون 1- دارد تا بار کلی را متعادل کند و ترکیب را خنثی کند.
دانستن حالت های اکسیداسیون عناصر در واکنش دهنده ها و محصولات در الکتروشیمی حیاتی است. این دانش به درک اینکه کدام گونه در یک سلول الکتروشیمیایی دچار اکسیداسیون یا کاهش می شود کمک می کند.
یک سلول الکتروشیمیایی از دو الکترود تشکیل شده است: یک آند (محل اکسیداسیون) و یک کاتد (جایی که کاهش رخ می دهد). جریان الکترون ها از آند به کاتد از طریق یک مدار خارجی انرژی الکتریکی تولید می کند.
به عنوان مثال، در یک باتری ساده روی مس، روی در شکل عنصری خود دارای عدد اکسیداسیون 0 است. در واکنش الکتروشیمیایی، الکترون‌ها (اکسیداسیون) را از دست می‌دهد و یون‌های روی \(^{2+}\) تشکیل می‌دهد، بنابراین حالت اکسیداسیون آن از 0 به +2 تغییر می‌کند. برعکس، یون مس \(^{2+}\) در کاتد، الکترون به دست می‌آورد (کاهش)، و حالت اکسیداسیون مس را از 2+ به 0 تغییر می‌دهد که به عنوان مس فلزی تبدیل می‌شود.
این انتقال الکترون ها که توسط تغییرات در اعداد اکسیداسیون انجام می شود، همان چیزی است که انرژی الکتریکی را در باتری ها تولید می کند.
یک آزمایش ساده برای مشاهده فرآیند کاهش اکسیداسیون شامل یک محلول سولفات مس (II) و یک میخ روی است. هنگامی که میخ روی در محلول سولفات مس (II) غوطه ور می شود، روی اکسید می شود و الکترون ها را از دست می دهد و یون های Zn \(^{2+}\) را تشکیل می دهد. سپس این الکترون‌ها توسط یون‌های Cu \(^{2+}\) به دست می‌آیند که کاهش می‌یابد و مس فلزی روی سطح میخ روی تشکیل می‌دهد. این را می توان به عنوان تغییر رنگ در محلول و تشکیل یک پوشش مسی روی ناخن روی مشاهده کرد.
در مولکول های پیچیده، تعیین اعداد اکسیداسیون ممکن است نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق داشته باشد، به ویژه در مولکول های حاوی عناصری که می توانند حالت های اکسیداسیون متعددی داشته باشند.
مثال: در دی کرومات پتاسیم (K2Cr2O7)، پتاسیم (K) دارای عدد اکسیداسیون +1، اکسیژن (O) دارای عدد اکسیداسیون 2- و کروم (Cr) باید محاسبه شود. با آگاهی از اینکه دو یون پتاسیم (هر کدام + 1) و هفت اتم اکسیژن (هر کدام - 2) وجود دارد و ترکیب خنثی است، می توان عدد اکسیداسیون کروم را محاسبه کرد.
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2 (Cr) = 0
2 (Cr) = 12
Cr = +6
این محاسبه نشان می دهد که عدد اکسیداسیون کروم در دی کرومات پتاسیم 6+ است.
اعداد اکسیداسیون یک مفهوم اساسی در شیمی است، به ویژه در الکتروشیمی، که در آن به پیش بینی جهت جریان الکترون در واکنش های اکسیداسیون-کاهش کمک می کند. درک چگونگی تخصیص و محاسبه این اعداد برای تجزیه و تحلیل سلول‌های الکتروشیمیایی و واکنش‌ها ضروری است، که بر همه چیز از ذخیره انرژی در باتری‌ها تا استراتژی‌های محافظت در برابر خوردگی تأثیر می‌گذارد.