Trạng thái oxy hóa

Trạng thái oxy hóa hay số oxy hóa (hai khái niệm không hẳn đồng nhất) là số chỉ mức oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố hóa học trong một hợp chất hóa học. Con số này chính là điện tích theo lý thuyết của nguyên tử của nguyên tố đó nếu giả sử toàn bộ số liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất đều là liên kết ion. Trạng thái oxy hóa thường là số nguyên, có thể dương, âm hoặc bằng 0. Trong một số trường hợp trạng thái oxy hóa là phân số, ví dụ trường hợp sắt có trạng thái oxy hóa bằng 8/3 trong hợp chất oxit sắt từ (Fe3O4). Trạng thái oxy hóa cao nhất là +8 (gặp ở các nguyên tố rutheni, xenon, osmi và iriđi trong các hợp chất tetroxit của chúng) trong khi trạng thái oxy hóa thấp nhất là -4 (gặp ở một số nguyên tố trong nhóm cacbon).
Trong phản ứng oxy hóa khử diễn ra sự thay đổi trạng thái oxy hóa của nguyên tử. Trạng thái oxy hóa giảm thì gọi là sự khử, trong khi trạng thái oxy hóa tăng thì gọi là sự oxy hóa.
Quy tắc gán trạng thái oxy hóa cho nguyên tử của nguyên tố như sau:
Quy tắc chung xác định trạng thái oxy hóa mà không dùng cấu trúc Lewis.
Năm 1990, IUPAC chọn dùng các quy tắc sau nhằm xác định trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố trong các hợp chất hóa học đơn giản mà không sử dụng công thức cấu tạo Lewis:
Một số nguyên tố hầu như luôn luôn chỉ có một trạng thái oxy hóa nhất định (do có khả năng mất electron hoặc khả năng hút electron rất cao). Do vậy, khi kết hợp điều này với các quy tắc trên thì có thể xác định được trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố còn lại (ví dụ xác định trạng thái oxy hóa của kim loại chuyển tiếp) trong hợp chất hóa học đơn giản.
Dưới đây là một số quy tắc khác có thể dùng lúc ban đầu nhằm xác định trạng thái oxy hóa của nguyên tử của một số nguyên tố trong hợp chất đơn giản:
Quy tắc chung xác định trạng thái oxy hóa dùng cấu trúc Lewis.
Có hai cách thông dụng để tính toán trạng thái oxy hóa của nguyên tử của một nguyên tố. Cách thứ nhất là cách tính đại số như trên; cách này áp dụng đối với các hợp chất hóa học đơn giản không cần cấu trúc Lewis. Cách thứ hai được dùng đối với phân tử có cấu trúc Lewis.
Nên nhớ rằng trạng thái oxy hóa của nguyên tử của nguyên tố không đại diện cho điện tích "thực" của nguyên tử đó: điều này đặc biệt đúng đối với các trạng thái oxy hóa cao khi lượng năng lượng ion hóa cần thiết để tạo ra một ion dương lớn hơn rất nhiều so với năng lượng có trong phản ứng hoá học. Dù việc gán electron cho các nguyên tử nhằm tính toán trạng thái oxy hóa thực chất chỉ mang tính hình thức nhưng việc làm này lại có ích nếu muốn hiểu được nhiều phản ứng hóa học.
Cấu trúc Lewis.
Nếu một phân tử có cấu trúc Lewis thì có thể gán trạng thái oxy hóa bằng cách tính mức chênh lệch giữa số electron hóa trị của nguyên tử trung hòa về điện với số electron "thuộc" về nguyên tử đó xét trong cấu trúc Lewis. Nhằm mục đích tính toán trạng thái oxy hóa, số electron liên kết giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được xếp thuộc về nguyên tử có khả năng hút electron mạnh hơn; trong khi đó, số electron liên kết giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì được phân đều cho các nguyên tử; electron nằm trong cặp lẻ thì chỉ thuộc về nguyên tử có cặp lẻ đó.
Ví dụ, xét trường hợp axit acetic:
Nguyên tử cacbon trong nhóm metyl có 6 electron hóa trị thuộc về nó do cacbon có khả năng hút electron mạnh hơn hydro. Tiếp theo, nguyên tử cacbon này có thêm 1 electron nữa từ liên kết với nguyên tử cacbon khác (C–C) do số electron liên kết giữa các nguyên tử cùng nguyên tố thì được phân chia đều. Như vậy tổng cộng nguyên tử cacbon này có 7 electron. Một nguyên tử cacbon trung hòa về điện thì chỉ có 4 electron hóa trị, suy ra mức chênh lệch là 4 − 7 = -3. Do vậy, xét theo cấu trúc Lewis thì trạng thái oxy hóa của nguyên tử cacbon này là -3. Điều đó có nghĩa là nếu giả sử tất cả các liên kết giữa các nguyên tử trong hợp chất này là liên kết ion (thực tế không phải vậy) thì nguyên tử này được ký hiệu C3−.
Áp dụng tương tự quy tắc trên cho nguyên tử cacbon trong gốc axit thì thu được trạng thái oxy hóa của nó là +3, áp dụng cho nguyên tử oxy thì thu được trạng thái oxy hóa là -2.