Oxidační číslo

Oxidační číslo (oxidační stav, oxidační stupeň nebo také mocenství) je elektrický náboj, který by se nacházel na atomu prvku, kdybychom elektrony v každé vazbě, které vycházejí z daného atomu, přidělili atomu s vyšší elektronegativitou.

Ukázka předání elektronu mezi atomy sodíku Na a fluoridu F za vzniku sloučeniny fluoridu sodného, NaF.

Oxidační číslo atomu neodpovídá jeho reálnému náboji. Tyto dvě veličiny si odpovídají pouze u vysokých oxidačních čísel, kde je ionizační energie mnohem vyšší než energie chemických reakcí. Přiřazování vazebných elektronů jednotlivým atomům pomocí oxidačního čísla je proto formální, ale je to velmi užitečné pro pochopení mnoha chemických reakcí.

Oxidační čísla mohou nabývat kladných hodnot, záporných hodnot, ale mohou mít i hodnotu nula. Pokud atom elektrony přijímá, je jeho oxidační číslo záporné, pokud je odevzdává, je kladné. Molekula v základním stavu má oxidační číslo rovné nule neboli součet oxidačních čísel atomů v molekule je nula. Kladné hodnoty oxidačního čísla se pohybují v rozmezí od I+ do VIII+. Záporné hodnoty se pohybují v rozmezí od I− až do IV−. Atom jednoho prvku může mít různá oxidační čísla podle toho, v jaké sloučenině se zrovna nachází.

U kladných oxidačních čísel se znaménko psát ani číst nemusí, u záporných oxidačních čísel se znaménko bezpodmínečně píše i čte. Oxidační čísla jednotlivých prvků se nacházejí v periodické soustavě prvků.

Definice oxidačního čísla

Termín oxidace byl poprvé použit Antoinem Lavoisierem při zkoumání reakcí látek s kyslíkem. Mnohem později byl význam rozšířen i na další reakce, kterých se kyslík neúčastnil.

IUPAC (Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii)^[1] zveřejnila v roce 2016 Komplexní definici stavu oxidace. Zkrácená definice oxidačního stavu (oxidačního čísla) je:

Oxidační stav atomu je nábojem tohoto atomu po iontové aproximaci jeho heteronukleárních vazeb...

Základním principem této definice je, že pomocí aproximace (přiblížení, odhad) považujeme všechny vazby za iontové. Ve spojení mezi dvěma různými prvky jsou tedy elektrony vazby přiřazeny k tomu, který má vyšší elektronegativitu. Ve vazbě mezi dvěma atomy stejného prvku jsou elektrony rozděleny rovnoměrně.

Pro jednoduchý odhad iontové aproximace lze použít Allenovu stupnici elektronegativity. Elektronegativita je schopnost atomů vázat elektrony chemické vazby. Čím je vyšší, tím má atom větší schopnost vázat elektrony. Naopak atom s nízkou elektronegativitou elektrony raději odevzdává.

Nejnižší elektronegativitu má francium s hodnotou 0,7 a nejvyšší elektronegativitu má fluor s hodnotou 3,98. Fluor má proto ve všech svých sloučeninách oxidační číslo I−.

Tabulka elektronegativity

→ Atomový poloměr se zmenšuje → Ionizační energie vzrůstá → Elektronegativita vzrůstá →
Skupina	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Perioda
1	H2.20																	He3.89
2	Li0.98	Be1.57											B2.04	C2.55	N3.04	O3.44	F3.98	Ne3.67
3	Na0.93	Mg1.31											Al1.61	Si1.90	P2.19	S2.58	Cl3.16	Ar3.3
4	K0.82	Ca1.00	Sc1.36	Ti1.54	V1.63	Cr1.66	Mn1.55	Fe1.83	Co1.88	Ni1.91	Cu1.90	Zn1.65	Ga1.81	Ge2.01	As2.18	Se2.55	Br2.96	Kr3.00
5	Rb0.82	Sr0.99	Y1.22	Zr1.33	Nb1.6	Mo2.16	Tc1.9	Ru2.2	Rh2.28	Pd2.20	Ag1.93	Cd1.69	In1.78	Sn1.96	Sb2.05	Te2.1	I2.66	Xe2.6
6	Cs0.79	Ba0.89	*	Hf1.3	Ta1.5	W2.36	Re1.9	Os2.2	Ir2.20	Pt2.28	Au2.54	Hg2.00	Tl1.62	Pb2.33	Bi2.02	Po2.0	At2.2	Rn2.2
7	Fr0.7	Ra0.9	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
Lanthanoidy	*	La1.1	Ce1.12	Pr1.13	Nd1.14	Pm1.13	Sm1.17	Eu1.2	Gd1.2	Tb1.1	Dy1.22	Ho1.23	Er1.24	Tm1.25	Yb1.1	Lu1.27
Aktinoidy	**	Ac1.1	Th1.3	Pa1.5	U1.38	Np1.36	Pu1.28	Am1.13	Cm1.28	Bk1.3	Cf1.3	Es1.3	Fm1.3	Md1.3	No1.3	Lr1.3

Výpočty oxidačního čísla

Existují dvě běžně používané metody pro výpočet oxidačního čísla atomu ve sloučenině. První se využívá u sloučenin, které mají Lewisovskou strukturu, jako jsou například organické molekuly. Druhá je použitelná pro jednoduché sloučeniny anorganické i organické.

Výpočet z Lewisovské struktury

Pokud je známa Lewisovská struktura molekuly, lze jednoznačně určit oxidační stav atomů jako rozdíl mezi počtem valenčních elektronů neutrálního atomu a počtem elektronů, které atomu náleží ve vázaném stavu. Pro výpočet oxidačního stavu se předpokládá, že elektrony z vazby mezi dvěma různými prvky patří atomu s vyšší elektronegativitou a elektrony z vazby mezi stejnými atomy se dělí rovným dílem.

Například kyselina octová:

Uhlík z methylové skupiny má šest valenčních elektronů z vazeb k atomům vodíku, protože je více elektronegativní. Další elektron získá z vazby k atomu uhlíku karboxylové skupiny. Celkem mu tedy náleží sedm elektronů. Neutrální atom uhlíku má čtyři elektrony. Rozdíl, 4 − 7 = −3, je oxidační číslo atomu uhlíku.

Výpočet pro jednoduché sloučeniny

Pro jednoduché sloučeniny platí pravidla, která umožňují jednoduše vypočítat oxidační číslo prvku ve sloučenině.

Základní pravidla

1. Součet oxidačních čísel všech atomů neutrální nebo nabité sloučeniny musí být stejný jako náboj sloučeniny.
2. Součet oxidačních čísel všech atomů neutrální sloučeniny se rovná 0.
3. Součet oxidačních čísel všech atomů v iontu se musí rovnat celkovému náboji iontu.
4. Prvky v elementárním stavu mají vždy oxidační číslo 0, ať už jsou tvořeny atomy nebo molekulami. Například Li, Mg, B, C, O_2,P₄, S₈, I₂, Ar.
5. Fluor má vždy oxidační číslo I−, protože je to prvek s nejvyšší elektronegativitou.
6. Vodík má běžně oxidační číslo I+. Oxidační číslo I− má pouze ve sloučeninách, kde je vázán k elektropozitivnějšímu prvku (NaH, NaBH₄, ...).
7. Kyslík má oxidační číslo II−. Výjimku tvoří peroxidy (I−), superoxidy (I/II−), ozonidy (I/III−), difluorid kyslíku OF₂ (II+) a difluorid dikyslíku O₂F₂ (I+).
8. Alkalické kovy mají oxidační číslo I+, výjimku tvoří pouze alkalidy.
9. Kovy alkalických zemin mají vždy oxidační číslo II+.
10. Oxidační číslo iontu atomu odpovídá jeho iontovému náboji. V kationtu Cu²⁺ má měď oxidační číslo II+, v aniontu Cl⁻ má chlor oxidační číslo I−.
11. V případě organických sloučenin s kovalentními vazbami je sloučenina formálně rozdělena na ionty na základě elektronegativity jednotlivých atomů. Pak se předpokládá, že elektrony zapojené do vazby jsou zcela převzaty více elektronegativním atomem
12. Většina prvků se může vyskytnout v několika oxidačních číslech.
13. Nejvyšší možné oxidační číslo prvku odpovídá číslu hlavní nebo vedlejší skupiny v periodické tabulce, kde se prvek nachází.
14. Vedle fluoru mají oxidační číslo I− také ostatní halogeny, chlor, brom a jód. Jsou výjimky: sloučeniny s kyslíkem (oxidy halogenů) nebo interhalogenní sloučeniny.
15. Atomy kovů mají v iontových sloučeninách vždy kladné oxidační číslo.

Křížové pravidlo

K tomu, abychom vyjádřili oxidační číslo ve sloučeninách, které mají prvky v různém poměru, nám pomáhá křížové pravidlo. Pomocí tohoto pravidla určíme například oxidační číslo stříbra v Ag₂O takto:

• Víme, že kyslík má oxidační číslo II− a jeho dolní index je 1, tedy Ag₂^? O₁^II−
• Pokud spojíme dolní index Ag s horním indexem O, platí 2=II
• Pokud spojíme horní index Ag s dolním indexem O, platí ?=1, tedy horní index musí být I
• Vzorec s oxidačními čísly je tedy Ag₂^I+ O₁^II−

Křížové pravidlo je možné použít nejenom u kysličníků, ale i u dalších sloučenin jako jsou soli, hydroxidy, kyseliny atd. Pravidlo se pak uplatňuje nejenom mezi jednotlivými prvky, ale mezi celou kationtovou nebo celou aniontovou skupinou. Jestliže tedy máme fosforečnan vápenatý Ca₃(PO₄)₂, křížové pravidlo se používá mezi vápenatým kationtem a fosforečnanovým aniontem.

Přípony podle oxidačního čísla

V názvech anorganických sloučenin je oxidační číslo daného prvku vyjádřeno příponou. Například v chloridu sodném má atom sodíku oxidační číslo I+ (koncovka -ný), v chloridu železitém má atom železa oxidační číslo III+ (koncovka -itý).

oxidační číslo	přípona přídavného jména	přípona podstatného jména	příklad
I+	-ný	-nan	chlorid sodný, chlornan sodný
II+	-natý	-natan	sulfid olovnatý, tetrafluoroberyllnatan
III+	-itý	-itan	oxid hlinitý, kyselina boritá, dusitan sodný
IV+	-ičitý	-ičitan	kyselina křemičitá, oxid dusičitý, uhličitan draselný
V+	-ičný, -ečný	-ičnan, -ečnan	kyselina jodičná, oxid vanadičný, oxid fosforečný, dusičnan amonný
VI+	-ový	-an	oxid sírový, síran vápenatý
VII+	-istý	-istan	kyselina chloristá, manganistan draselný
VIII+	-ičelý	-ičelan	oxid osmičelý

Seznam oxidačních čísel prvků

V tabulce jsou uvedena možná oxidační čísla prvků. Pro oxidační čísla jsou použity běžné číslice, přestože nejčastěji jsou oxidační čísla psána pomocí římských číslic. Tučně jsou zapsány hodnoty hlavního oxidačního čísla prvku. Například pro berylium je to +2.

Oxidační čísla prvků
Prvek			Záporná oxidační čísla						Kladná oxidační čísla									skupina
			−5	−4	−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8	+9
Z
1	vodík	H					−1		+1									1
2	helium	He																18
3	lithium	Li							+1									1
4	berylium	Be						0	+1	+2								2
5	bór	B	−5				−1	0	+1	+2	+3							13
6	uhlík	C		−4	−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						14
7	dusík	N			−3	−2	−1		+1	+2	+3	+4	+5					15
8	kyslík	O				−2	−1	0	+1	+2								16
9	fluor	F					−1	0										17
10	neon	Ne																18
11	sodík	Na					−1		+1									1
12	hořčík	Mg						0	+1	+2								2
13	hliník	Al				−2	−1		+1	+2	+3							13
14	křemík	Si		−4	−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						14
15	fosfor	P			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					15
16	síra	S				−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				16
17	chlor	Cl					−1		+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7			17
18	argon	Ar						0										18
19	draslík	K					−1		+1									1
20	vápník	Ca						0	+1	+2								2
21	skandium	Sc						0	+1	+2	+3							3
22	titan	Ti				−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						4
23	vanad	V			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					5
24	chrom	Cr		−4		−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				6
25	mangan	Mn			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7			7
26	železo	Fe		−4		−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7			8
27	kobalt	Co			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					9
28	nikl	Ni				−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						10
29	měď	Cu				−2		0	+1	+2	+3	+4						11
30	zinek	Zn				−2		0	+1	+2								12
31	gallium	Ga	−5	−4	−3	−2	−1		+1	+2	+3							13
32	germanium	Ge		−4	−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						14
33	arsen	As			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					15
34	selen	Se				−2	−1		+1	+2	+3	+4	+5	+6				16
35	brom	Br					−1		+1		+3	+4	+5		+7			17
36	krypton	Kr						0	+1	+2								18
37	rubidium	Rb					−1		+1									1
38	stroncium	Sr						0	+1	+2								2
39	yttrium	Y						0	+1	+2	+3							3
40	zirkonium	Zr				−2		0	+1	+2	+3	+4						4
41	niob	Nb			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					5
42	molybden	Mo		−4		−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				6
43	technecium	Tc			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7			7
44	ruthenium	Ru		−4		−2		0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8		8
45	rhodium	Rh			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				9
46	palladium	Pd						0	+1	+2	+3	+4						10
47	stříbro	Ag				−2	−1		+1	+2	+3							11
48	kadmium	Cd				−2			+1	+2								12
49	indium	In	−5			−2	−1		+1	+2	+3							13
50	cín	Sn		−4	−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4						14
51	antimon	Sb			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					15
52	tellur	Te				−2	−1		+1	+2	+3	+4	+5	+6				16
53	jód	I					−1		+1		+3	+4	+5	+6	+7			17
54	xenon	Xe						0	+1	+2		+4		+6		+8		18
55	cesium	Cs					−1		+1									1
56	baryum	Ba						0	+1	+2								2
57	lanthan	La						0	+1	+2	+3							není k dispozici
58	cer	Ce								+2	+3	+4						není k dispozici
59	praseodym	Pr						0	+1	+2	+3	+4	+5					není k dispozici
60	neodym	Nd						0		+2	+3	+4						není k dispozici
61	promethium	Pm								+2	+3							není k dispozici
62	samarium	Sm						0		+2	+3							není k dispozici
63	europium	Eu						0		+2	+3							není k dispozici
64	gadolinium	Gd						0	+1	+2	+3							není k dispozici
65	terbium	Tb						0	+1	+2	+3	+4						není k dispozici
66	dysprosium	Dy						0		+2	+3	+4						není k dispozici
67	holmium	Ho						0		+2	+3							není k dispozici
68	erbium	Er						0		+2	+3							není k dispozici
69	thulium	Tm						0		+2	+3							není k dispozici
70	ytterbium	Yb						0		+2	+3							není k dispozici
71	lutecium	Lu						0		+2	+3							3
72	hafnium	Hf				−2		0	+1	+2	+3	+4						4
73	tantal	Ta			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5					5
74	wolfram	W		−4		−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				6
75	rhenium	Re			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7			7
76	osmium	Os		−4		−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8		8
77	iridium	Ir			−3		−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8	+9	9
78	platina	Pt			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6				10
79	zlato	Au			−3	−2	−1	0	+1	+2	+3		+5					11
80	rtuť	Hg				−2			+1	+2								12
81	thallium	Tl	−5			−2	−1		+1	+2	+3							13
82	olovo	Pb		−4		−2	−1		+1	+2	+3	+4						14
83	bismut	Bi			−3	−2	−1		+1	+2	+3	+4	+5					15
84	polonium	Po				−2				+2		+4	+5	+6				16
85	astat	At					−1		+1		+3		+5		+7			17
86	radon	Rn								+2				+6				18
87	francium	Fr							+1									1
88	radium	Ra								+2								2
89	aktinium	Ac								+2	+3							není k dispozici
90	thorium	Th							+1	+2	+3	+4						není k dispozici
91	protaktinium	Pa									+3	+4	+5					není k dispozici
92	uran	U							+1	+2	+3	+4	+5	+6				není k dispozici
93	neptunium	Np								+2	+3	+4	+5	+6	+7			není k dispozici
94	plutonium	Pu								+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8		není k dispozici
95	americium	Am								+2	+3	+4	+5	+6	+7			není k dispozici
96	curium	Cm									+3	+4	+5	+6				není k dispozici
97	berkelium	Bk								+2	+3	+4	+5					není k dispozici
98	kalifornium	Cf								+2	+3	+4	+5					není k dispozici
99	einsteinium	Es								+2	+3	+4						není k dispozici
100	fermium	Fm								+2	+3							není k dispozici
101	mendelevium	Md								+2	+3							není k dispozici
102	nobelium	No								+2	+3							není k dispozici
103	lawrencium	Lr									+3							3
104	rutherfordium	Rf										+4						4
105	dubnium	Db											+5					5
106	seaborgium	Sg						0						+6				6
107	bohrium	Bh													+7			7
108	hassium	Hs														+8		8
109	meitnerium	Mt																9
110	darmstadtium	Ds																10
111	roentgenium	Rg																11
112	kopernicium	Cn								+2								12
113	nihonium	Nh																13
114	flerovium	Fl																14
115	moscovium	Mc																15
116	livermorium	Lv																16
117	tennessin	Ts																17
118	oganesson	Og																18

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Oxidation state na anglické Wikipedii.

1. IUPAC Gold Book

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Oxidační číslo na Wikimedia Commons
• (anglicky) Comprehensive definition of oxidation state (IUPAC Recommendations 2016)