Ступені окислення, також відомі як ступені окислення, відіграють вирішальну роль у розумінні електрохімічних реакцій. Ці числа допомагають визначити, як електрони розподілені між атомами в молекулі або іоні. Знання ступеня окислення кожного елемента в складі має важливе значення для прогнозування результатів електрохімічних реакцій, які є основою багатьох технологій, зокрема акумуляторів і запобігання корозії.
Ступінь окислення — це теоретичне число, присвоєне атому в молекулі або іоні, яке вказує на загальний електричний заряд цього атома. Він базується на наборі правил, які розглядають розподіл електронів у зв’язках:
Ці правила служать основою для визначення ступенів окислення в більш складних молекулах і іонах.
Приклад 1: Вода (H₂O)
За правилами кисень має ступінь окислення -2. Оскільки існує два атоми водню, і кожен атом водню має ступінь окислення +1, загальний заряд атомів водню дорівнює +2. Це врівноважує заряд кисню -2, роблячи молекулу нейтральною.
Приклад 2: Хлорид натрію (NaCl)
Натрій, метал, при утворенні іона має ступінь окислення +1. Хлор у цій сполукі мав би ступінь окислення -1, щоб збалансувати загальний заряд, роблячи сполуку нейтральною.
Знання ступенів окислення елементів у реагентах і продуктах є життєво важливим в електрохімії. Ці знання допомагають зрозуміти, які види піддадуться окисленню або відновленню в електрохімічній комірці.
Електрохімічний елемент складається з двох електродів: анода (де відбувається окислення) і катода (де відбувається відновлення). Потік електронів від анода до катода через зовнішній контур генерує електричну енергію.
Наприклад, у простій мідно-цинковій батареї цинк має ступінь окислення 0 у своїй елементарній формі. Під час електрохімічної реакції він втрачає електрони (окислення) з утворенням іонів Zn \(^{2+}\) , таким чином змінюючи свій ступінь окислення від 0 до +2. І навпаки, іони Cu \(^{2+}\) на катоді отримують електрони (відновлення), змінюючи ступінь окислення міді з +2 до 0, коли вона виділяється у вигляді металевої міді.
Ця передача електронів, спричинена зміною ступенів окислення, є тим, що генерує електричну енергію в батареях.
Простий дослід для спостереження окислювально-відновного процесу включає розчин купрум(ІІ) сульфату та цинковий цвях. Коли цинковий цвях занурюють у розчин купрум(II) сульфату, цинк окислюється, втрачаючи електрони з утворенням іонів Zn \(^{2+}\) . Потім ці електрони отримують іони Cu \(^{2+}\) , які відновлюються з утворенням металевої міді на поверхні цинкового цвяха. Це можна спостерігати за зміною кольору розчину та утворенням мідного нальоту на цинковому нігті.
У складних молекулах визначення ступенів окислення може вимагати ретельного аналізу, особливо в молекулах, що містять елементи, які можуть мати кілька ступенів окислення.
Приклад: у дихроматі калію (K₂Cr₂O₇) калій (K) має ступінь окислення +1, кисень (O) має ступінь окислення -2, а хром (Cr) потрібно обчислити. Знаючи, що існує два іони калію (+1 кожен) і сім атомів кисню (-2 кожен), а сполука нейтральна, можна розрахувати ступінь окислення хрому.
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2(Cr) = 0
2(Cr) = 12
Cr = +6
Цей розрахунок показує, що ступінь окислення хрому в біхроматі калію становить +6.
Числа окислення є фундаментальним поняттям у хімії, особливо в електрохімії, де вони допомагають передбачити напрямок потоку електронів у реакціях окислення-відновлення. Розуміння того, як призначати та обчислювати ці числа, має важливе значення для аналізу електрохімічних елементів і реакцій, впливаючи на все, від накопичення енергії в батареях до стратегій захисту від корозії.