Hapetusluku

Hapetuslukuelihapetusasteon luku, joka kuvaa jossakin määrinatominluovuttamaa tai vastaanottamaaelektronijakaumaa.Hapetusluku on kuvitteellinenvaraus,jonka atomi saa, jos kunkinsidoksenelektronit annetaan sille atomille, joka vetää niitä enemmän puoleensa. Muodollisemmin tämä voidaan ilmaista siten, että atomin kaikkia heteronukleaarisia sidoksiaapproksimoidaanionisidoksella.Jos sidoksen atomit ovat samaaalkuainetta,elektronit jaetaan tasan.

Hapetusluku onkemialliseenkirjanpitoon käytettävä käsite, eikä sitä voida mitata suoraan samalla tavalla kuin esimerkiksimassaatailämpökapasiteettia.Hapetuslukujen avulla voidaan tarkastella elektronien siirtymistäkemiallisissa reaktioissa.Hapetuslukua käytetään myösyhdisteidennimeämiseen jakemiallisten kaavojenkirjoittamiseen. Hapetusluku ilmoitetaanroomalaisin numeroin.

Hapetusluku voi vaikuttaa huomattavasti alkuaineen ominaisuuksiin. Esimerkiksikromion hapetusluvulla +III ihmiselle välttämätönhivenaine,mutta hapetusluvulla +VI se onmyrkyllinen.

Hapetusluvun laskeminen

Vesimolekyylissä(H₂O) yhteiset sidoselektronit ovat lähempänä happiatomia, koska se on vetyäelektronegatiivisempi.Hapetuslukuja laskettaessa hapella on siis kahdeksan ulkoelektronia. Hapen kuvitteellinen varaus eli hapetusluku on siten −II, sillä neutraalilla hapella on kuusi ulkoelektronia. Molempien ilman elektroneita jäävien vetyatomien hapetusluku on sama kuinprotoninvaraus eli +I.

Hapetuslukujen laskemisessa ongelmallisia ovat useimmitensiirtymämetallit,jotka voivat esiintyä hyvin monella eri hapetusluvulla yhdisteestä riippuen, mutta niiden hapetusluvut voidaan useimmiten selvittää yhdisteen muiden atomien hapetuslukujen perusteella. Hapetuslukuja ei tarvitse aina laskea suoraan määritelmän pohjalta, vaan voidaan käyttää seuraavia sääntöjä:

1. Alkuaineessaatomin hapetusluku on 0.
2. Yksiatomisenioninhapetusluku on yhtä suuri kuin ionin varaus. Sitenalkalimetallienhapetusluku yhdisteissä on lähes aina +I jamaa-alkalimetallien+II.
3. Neutraalissa molekyylissä kaikkien atomien hapetuslukujen summa on nolla. Ionirakenteisessa molekyylissä atomien hapetuslukujen summa on yhtä suuri kuin ionin varaus.
4. Joillain atomeilla hapetusluku on aina tai melkein aina sama yhdisteestä riippumatta:

• Fluorinhapetusluku on yhdisteissä aina −I (koska fluori on elektronegatiivisin alkuaine).
• Hapenhapetusluku on yhdisteissä yleensä −II.

Peroksideissa,joissa on yksinkertainen happi-happisidos (esimerkiksi H₂O₂), hapetusluku on −I.

Superoksideissa,joissa on O₂⁻-ioni (esimerkiksi KO₂), hapetusluku on −1/2.

Otsonideissa(esimerkiksiNaO₃) hapen hapetusluku on −1/3.

Kohdan 4 perusteella hapen hapetusluku esimerkiksi yhdisteessäOF₂on +II.

Kohdan 1 perusteella hapetusluku molekyyleissä O₂jaO₃on 0.

• Vedynhapetusluku on yhdisteissä yleensä +I,metallihydrideissäkuitenkin −I.
• Alkalimetallien (Li,Na,K,Rb,Cs,Fr) hapetusluku yhdisteissä on +I.
• Maa-alkalimetallien (Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra) hapetusluku yhdisteissä on +II.

Esimerkkejä

Kaliumkarbonaatissa(K₂CO₃) on kaksi K⁺-ionia ja yksi CO₃²⁻-ioni.Kaliuminhapetusluku karbonaatissa on siten +I. Hapen hapetusluku on −II. Jotta karbonaatti-ionin varaukseksi saadaan −2,hiilenhapetusluvun on oltava +IV, sillä −2 · 3 + 4 = −2.

Magnetiitissa(Fe₃O₄)raudankeskimääräinen hapetusluku on +8/3, sillä 8/3 · 3 − 2 · 4 = 0. Tämä hapetusluku ei olekokonaisluku,sillä magnetiitissa on kaavayksikköä kohden yksi Fe²⁺-ioni ja kaksi Fe³⁺-ionia.

Koskasinkinhapetusluku on aina +II, voidaan päätellä, että sinkkikloridin kaava on ZnCl₂.Jos alkuaineella voi olla useita hapetuslukuja, hapetusluku merkitään yhdisteen nimessä roomalaisin numeroin, esimerkiksirauta(II)kloridi(FeCl₂) jarauta(III)kloridi(FeCl₃).

Hapetuslukujen avulla voidaan tarkastellahapetus-pelkistysreaktioita.Esimerkiksimetaanipalaa seuraavasti: CH₄+ 2O₂→ CO₂+ 2H₂O. Reaktiossa vedyn hapetusluku ei muutu. Neljä happiatomia saavat muodollisesti yhteensä 8 elektronia, sillä alussa niiden hapetusluku on nolla ja lopussa −II. Reaktio on elektronien suhteen tasapainossa, koska hiili menettää 8 elektronia (hapetusluku alussa −IV ja lopussa +IV). Reaktiossa hiilen hapetusluku suurenee eli hiilihapettuu.Hapen hapetusluku pienenee eli happipelkistyy.

Katso myös

• alkuaineiden tavalliset hapetusluvut
• valenssi

Lähteet

• Zumdahl, Steven S.:Chemistry,s. 165–169. (4. painos) Houghton Mifflin, 1997.ISBN 0-669-41794-7.

Aiheesta muualla

• Opetus TV: Hapetusluku
• Etälukion sivu(Arkistoitu– Internet Archive)
• IUPAC:n sivu(englanniksi)