Hapetusluku

Hapetusluku eli hapetusaste on luku, joka kuvaa jossakin määrin atomin luovuttamaa tai vastaanottamaa elektronijakaumaa. Hapetusluku on kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa, jos kunkin sidoksen elektronit annetaan sille atomille, joka vetää niitä enemmän puoleensa. Muodollisemmin tämä voidaan ilmaista siten, että atomin kaikkia heteronukleaarisia sidoksia approksimoidaan ionisidoksella. Jos sidoksen atomit ovat samaa alkuainetta, elektronit jaetaan tasan.

Hapetusluku on kemialliseen kirjanpitoon käytettävä käsite, eikä sitä voida mitata suoraan samalla tavalla kuin esimerkiksi massaa tai lämpökapasiteettia. Hapetuslukujen avulla voidaan tarkastella elektronien siirtymistä kemiallisissa reaktioissa. Hapetuslukua käytetään myös yhdisteiden nimeämiseen ja kemiallisten kaavojen kirjoittamiseen. Hapetusluku ilmoitetaan roomalaisin numeroin.

Hapetusluku voi vaikuttaa huomattavasti alkuaineen ominaisuuksiin. Esimerkiksi kromi on hapetusluvulla +III ihmiselle välttämätön hivenaine, mutta hapetusluvulla +VI se on myrkyllinen.

Hapetusluvun laskeminen

Vesimolekyylissä (H₂O) yhteiset sidoselektronit ovat lähempänä happiatomia, koska se on vetyä elektronegatiivisempi. 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 kuin protonin varaus eli +I.

Hapetuslukujen laskemisessa ongelmallisia ovat useimmiten siirtymämetallit, 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. Alkuaineessa atomin hapetusluku on 0.
2. Yksiatomisen ionin hapetusluku on yhtä suuri kuin ionin varaus. Siten alkalimetallien hapetusluku yhdisteissä on lähes aina +I ja maa-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:

• Fluorin hapetusluku on yhdisteissä aina −I (koska fluori on elektronegatiivisin alkuaine).
• Hapen hapetusluku 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 (esimerkiksi NaO₃) hapen hapetusluku on −1/3.

Kohdan 4 perusteella hapen hapetusluku esimerkiksi yhdisteessä OF₂ on +II.

Kohdan 1 perusteella hapetusluku molekyyleissä O₂ ja O₃ on 0.

• Vedyn hapetusluku on yhdisteissä yleensä +I, metallihydrideissä kuitenkin −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. Kaliumin hapetusluku karbonaatissa on siten +I. Hapen hapetusluku on −II. Jotta karbonaatti-ionin varaukseksi saadaan −2, hiilen hapetusluvun on oltava +IV, sillä −2 · 3 + 4 = −2.

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

Koska sinkin hapetusluku on aina +II, voidaan päätellä, että sinkkikloridin kaava on ZnCl₂. Jos alkuaineella voi olla useita hapetuslukuja, hapetusluku merkitään yhdisteen nimessä roomalaisin numeroin, esimerkiksi rauta(II)kloridi (FeCl₂) ja rauta(III)kloridi (FeCl₃).

Hapetuslukujen avulla voidaan tarkastella hapetus-pelkistysreaktioita. Esimerkiksi metaani palaa 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 hiili hapettuu. Hapen hapetusluku pienenee eli happi pelkistyy.

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)