اکسایش ، کاهش و قواعد عدد اکسایش

1. مفهوم اکسایش و کاهش (داد و ستد الکترون)
در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی، جایگاه الکترون‌ها بین اتم‌ها تغییر می‌کند. الکتروشیمی علم مطالعه واکنش‌هایی است که در آن‌ها انتقال الکترون رخ می‌دهد.
• اکسایش: فرایندی است که در آن یک گونه شیمیایی (اتم، مولکول یا یون) الکترون از دست می‌دهد. در این حالت، بار الکتریکی (یا عدد اکسایش) آن گونه مثبت‌تر می‌شود.
• کاهش: فرایندی است که در آن یک گونه شیمیایی الکترون به دست می‌آورد. در این حالت، بار الکتریکی (یا عدد اکسایش) آن گونه منفی‌تر (یا کمتر مثبت) می‌شود.
یک ترفند ساده برای تدریس:
2. عدد اکسایش چیست؟
در ترکیبات یونی، بار یون همان تعداد الکترون‌های مبادله شده است (مثلاً در \(NaCl\)، بار سدیم 1+ و کلر 1- است).
اما در ترکیبات کووالانسی (مثل \(H_{2}O\) یا\( CO_{2}\)) که الکترون‌ها به اشتراک گذاشته می‌شوند، انتقال کامل الکترون نداریم.
برای حل این مشکل، شیمی‌دان‌ها مفهومی به نام عدد اکسایش تعریف کردند:
تعریف: عدد اکسایش یک اتم، بار الکتریکی فرضی است که به یک اتم نسبت داده می‌شود. با این فرض که در تمام پیوندها، جفت الکترون‌های پیوندی به طور کامل به اتم الکترونگاتیوتر (نافلزتر) منتقل شده‌اند.
3. قواعد تعیین عدد اکسایش (روش فرمولی)
برای یافتن عدد اکسایش اتم‌ها در فرمول‌های شیمیایی، 7 قاعده طلایی داریم که باید به ترتیب اولویت رعایت شوند:
1. عناصر آزاد: عدد اکسایش اتم‌ها در عناصر آزاد (تک اتمی یا چند اتمی) همیشه صفر است، یعنی در ترکیب با عناصر دیگر نباشند.
مثال: \(Na = 0\)، \(O_2 = 0\)، \(P_4 = 0\)، \(S_8 = 0\).
2. یون‌های تک‌اتمی: عدد اکسایش برابر با بار الکتریکی یون است.
مثال: در \(Fe^{3+}\) عدد اکسایش آهن 3+ و در \(S^{2-}\) عدد اکسایش گوگرد 2- است.
3. فلزات در ترکیبات:

• گروه 1 (قلیایی‌ها مثل \(K\), \(Na\), \(Li\)): همیشه +1
• گروه 2 (قلیایی خاکی‌ها مثل \(Ba\), \(Ca\), \(Mg\)): همیشه +2 
• آلومینیوم (\(Al\)): همیشه +3 
4. فلوئور (\(F\)): چون الکترونگاتیوترین عنصر جدول تناوبی است، در تمام ترکیباتش عدد اکسایش آن -1 است. 
5. هیدروژن (\(H\)): 
• در ترکیب با نافلزات (اغلب موارد): +1 (مثل \(CH_{4}\)، \(HCl\)، \(H_{2}O\)) 
• در ترکیب با فلزات (هیدریدها): -1 (مثل \(NaH\)، \(CaH_{2}\)) 
6. اکسیژن (\(O\)): 
• در اکثر ترکیبات: -2 (مثل CO2، \(H_{2}SO_{4}\)) 
• در پراکسیدها (که پیوند O-O دارند): -1 (مثل Na2O2، H2O2) 
• در ترکیب با فلوئور: مثبت می‌شود (در OF2 برابر +2 است). 
7. قاعده جمع جبری: 
• در یک مولکول خنثی، جمع جبری اعداد اکسایش تمام اتم‌ها برابر صفر است. 
• در یک یون چنداتمی، جمع جبری اعداد اکسایش برابر بار یون است. 
مثال‌های کاربردی برای روش فرمولی: 
• یافتن عدد اکسایش گوگرد در گوگرد تری‌اکسید (SO3): 
مولکول خنثی است، پس مجموع برابر صفر است. اکسیژن -2 است. 
[S + 3(O) = 0 → S + 3(-2) = 0 → S - 6 = 0 → S = +6] 
• یافتن عدد اکسایش کروم در یون دی‌کرومات (Cr2O7^2-): 
مجموع باید برابر بار یون (-2) باشد. 
[2(Cr) + 7(O) = -2 → 2(Cr) + 7(-2) = -2 → 2Cr - 14 = -2 → 2Cr = +12 → Cr = +6] 
• یافتن عدد اکسایش منگنز در پتاسیم پرمنگنات (KMnO4): 
پتاسیم گروه 1 است (+1)، اکسیژن -2 است، مجموع صفر است.