Oksidacijski brojevi, također poznati kao oksidacijska stanja, igraju ključnu ulogu u razumijevanju elektrokemijskih reakcija. Ovi brojevi pomažu u određivanju kako su elektroni raspoređeni među atomima u molekuli ili ionu. Poznavanje oksidacijskog stanja svakog elementa unutar spoja ključno je za predviđanje ishoda elektrokemijskih reakcija, koje su u središtu mnogih tehnologija, uključujući baterije i sprječavanje korozije.
Oksidacijski broj je teorijski broj dodijeljen atomu u molekuli ili ionu koji pokazuje opći električni naboj tog atoma. Temelji se na skupu pravila koja razmatraju alokaciju elektrona u vezama:
Ova pravila služe kao temelj za određivanje oksidacijskih brojeva u složenijim molekulama i ionima.
Primjer 1: Voda (H₂O)
Prema pravilima, kisik ima oksidacijski broj -2. Budući da postoje dva vodika, a svaki vodik ima oksidacijski broj +1, ukupni naboj vodika je +2. To je u ravnoteži s -2 nabojem kisika, čineći molekulu neutralnom.
Primjer 2: Natrijev klorid (NaCl)
Natrij, metal, pri formiranju iona ima oksidacijsko stanje +1. Klor bi u ovom spoju imao oksidacijsko stanje -1 kako bi uravnotežio ukupni naboj, čineći spoj neutralnim.
Poznavanje oksidacijskih stanja elemenata unutar reaktanata i proizvoda od vitalne je važnosti u elektrokemiji. Ovo znanje pomaže u razumijevanju koje će vrste biti podvrgnute oksidaciji ili redukciji u elektrokemijskoj ćeliji.
Elektrokemijska ćelija sastoji se od dvije elektrode: anode (gdje dolazi do oksidacije) i katode (gdje dolazi do redukcije). Protok elektrona od anode do katode kroz vanjski krug stvara električnu energiju.
Na primjer, u jednostavnoj cink-bakrenoj bateriji, cink ima oksidacijski broj 0 u svom elementarnom obliku. U elektrokemijskoj reakciji gubi elektrone (oksidacija) da nastane Zn \(^{2+}\) ione, mijenjajući tako svoje oksidacijsko stanje od 0 do +2. Nasuprot tome, ioni Cu \(^{2+}\) na katodi dobivaju elektrone (redukcija), mijenjajući oksidacijsko stanje bakra s +2 na 0 dok se taloži kao metalni bakar.
Ovaj prijenos elektrona, potaknut promjenama oksidacijskih brojeva, ono je što stvara električnu energiju u baterijama.
Jednostavan pokus za promatranje oksidacijsko-redukcijskog procesa uključuje otopinu bakrova(II) sulfata i cinkov čavao. Kada se cinkov čavao uroni u otopinu bakrova(II) sulfata, cink oksidira, gubeći elektrone da nastane Zn \(^{2+}\) ione. Te elektrone zatim dobivaju Cu \(^{2+}\) ioni, koji se reduciraju u metalni bakar na površini cinčanog čavla. To se može uočiti kao promjena boje u otopini i stvaranje bakrene prevlake na cinkovom noktu.
U složenim molekulama, određivanje oksidacijskih brojeva može zahtijevati pažljivu analizu, osobito u molekulama koje sadrže elemente koji mogu imati višestruka oksidacijska stanja.
Primjer: u kalijevom dikromatu (K₂Cr₂O₇), kalij (K) ima oksidacijski broj +1, kisik (O) ima oksidacijski broj -2, a krom (Cr) treba izračunati. Uz spoznaju da postoje dva iona kalija (svaki +1), i sedam atoma kisika (svaki -2), a spoj je neutralan, može se izračunati oksidacijski broj kroma.
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2(Cr) = 0
2(Cr) = 12
Cr = +6
Ovaj izračun pokazuje da je oksidacijski broj kroma u kalijevom dikromatu +6.
Oksidacijski brojevi temeljni su koncept u kemiji, posebice u elektrokemiji, gdje pomažu u predviđanju smjera protoka elektrona u oksidacijsko-redukcijskim reakcijama. Razumijevanje kako dodijeliti i izračunati te brojeve ključno je za analizu elektrokemijskih ćelija i reakcija, utječući na sve, od skladištenja energije u baterijama do strategija zaštite od korozije.