Oxidatiegetallen, ook wel oxidatietoestanden genoemd, spelen een cruciale rol bij het begrijpen van elektrochemische reacties. Deze cijfers helpen bij het bepalen hoe elektronen worden verdeeld over atomen in een molecuul of een ion. Het kennen van de oxidatietoestand van elk element in een verbinding is essentieel voor het voorspellen van de uitkomst van elektrochemische reacties, die de kern vormen van veel technologieën, waaronder batterijen en corrosiepreventie.
Een oxidatiegetal is een theoretisch getal dat wordt toegekend aan een atoom in een molecuul of ion dat de algemene elektrische lading van dat atoom aangeeft. Het is gebaseerd op een reeks regels die rekening houden met de elektronenallocatie in obligaties:
Deze regels dienen als basis voor het bepalen van oxidatiegetallen in complexere moleculen en ionen.
Voorbeeld 1: Water (H₂O)
Volgens de regels heeft zuurstof een oxidatiegetal van -2. Omdat er twee waterstofatomen zijn en elke waterstof een oxidatiegetal van +1 heeft, is de totale lading van de waterstofatomen gelijk aan +2. Dit is in evenwicht met de -2 lading van zuurstof, waardoor het molecuul neutraal wordt.
Voorbeeld 2: Natriumchloride (NaCl)
Natrium, een metaal, heeft bij de vorming van een ion een oxidatietoestand van +1. Chloor zou in deze verbinding een oxidatietoestand van -1 hebben om de totale lading in evenwicht te brengen, waardoor de verbinding neutraal wordt.
Het kennen van de oxidatietoestanden van elementen in reactanten en producten is van vitaal belang in de elektrochemie. Deze kennis helpt bij het begrijpen welke soorten oxidatie of reductie zullen ondergaan in een elektrochemische cel.
Een elektrochemische cel bestaat uit twee elektroden: een anode (waar oxidatie plaatsvindt) en een kathode (waar reductie plaatsvindt). De stroom van elektronen van de anode naar de kathode via een extern circuit genereert elektrische energie.
In een eenvoudige zink-koperbatterij heeft zink bijvoorbeeld een oxidatiegetal van 0 in zijn elementaire vorm. Bij de elektrochemische reactie verliest het elektronen (oxidatie) om Zn \(^{2+}\) ionen te vormen, waardoor de oxidatietoestand verandert van 0 naar +2. Omgekeerd winnen Cu \(^{2+}\) ionen aan de kathode elektronen op (reductie), waardoor de oxidatietoestand van het koper verandert van +2 naar 0 terwijl het uitzet als metallisch koper.
Deze overdracht van elektronen, aangedreven door veranderingen in oxidatiegetallen, genereert elektrische energie in batterijen.
Een eenvoudig experiment om een oxidatie-reductieproces te observeren omvat een koper(II)sulfaatoplossing en een zinkspijker. Wanneer de zinkspijker wordt ondergedompeld in de koper(II)sulfaatoplossing, oxideert het zink, waarbij elektronen verloren gaan en Zn \(^{2+}\) ionen worden gevormd. Deze elektronen worden vervolgens gewonnen door Cu \(^{2+}\) -ionen, die reduceren tot metallisch koper op het oppervlak van de zinknagel. Dit kan worden waargenomen als een kleurverandering in de oplossing en de vorming van een koperlaag op de zinknagel.
Bij complexe moleculen kan het bepalen van oxidatiegetallen een zorgvuldige analyse vereisen, vooral bij moleculen die elementen bevatten die meerdere oxidatietoestanden kunnen hebben.
Voorbeeld: In kaliumdichromaat (K₂Cr₂O₇) heeft kalium (K) een oxidatiegetal van +1, zuurstof (O) een oxidatiegetal van -2 en moet chroom (Cr) worden berekend. Met de wetenschap dat er twee kaliumionen zijn (+1 elk) en zeven zuurstofatomen (elk -2), en de verbinding neutraal is, kan men het oxidatiegetal van chroom berekenen.
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2(Cr) = 0
2(Cr) = 12
Cr = +6
Uit deze berekening blijkt dat het oxidatiegetal van chroom in kaliumdichromaat +6 is.
Oxidatiegetallen zijn een fundamenteel concept in de chemie, vooral in de elektrochemie, waar ze helpen bij het voorspellen van de richting van de elektronenstroom bij oxidatie-reductiereacties. Begrijpen hoe deze getallen moeten worden toegewezen en berekend, is essentieel voor het analyseren van elektrochemische cellen en reacties, en beïnvloedt alles, van energieopslag in batterijen tot corrosiebeschermingsstrategieën.