Bạn hãy tưởng tượng mình là một kế toán đang kiểm tra sổ sách của một công ty. Mỗi khoản thu được ghi bằng một số dương, mỗi khoản chi được ghi bằng một số âm, và tổng cộng của tất cả các khoản phải bằng đúng số dư cuối kì mà công ty đã công bố. Nếu tổng cộng không khớp, bạn biết ngay có một khoản nào đó đã bị ghi sai. Số oxi hóa cũng giống như những con số trong sổ kế toán: mỗi nguyên tử trong một phân tử được gán một con số, gọi là số oxi hóa, và tổng của tất cả các số oxi hóa trong một phân tử trung hòa phải bằng 0, còn trong một ion thì phải bằng điện tích của ion đó. Nếu bạn tính ra một số oxi hóa mà tổng cộng không khớp, bạn biết ngay mình đã tính sai ở đâu đó.
Vậy số oxi hóa được xác định như thế nào? Câu trả lời nằm trong một vài quy tắc rất đơn giản mà bạn cần thuộc lòng. Số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất bằng 0. Trong hợp chất, hiđro thường có số oxi hóa là cộng 1, oxi thường có số oxi hóa là trừ 2, các kim loại nhóm IA có số oxi hóa là cộng 1, các kim loại nhóm IIA có số oxi hóa là cộng 2. Tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tử trong một phân tử trung hòa bằng 0, còn trong một ion thì bằng điện tích của ion đó. Dựa vào các quy tắc này, bạn có thể tính được số oxi hóa của bất kì nguyên tố nào trong một hợp chất, ví dụ như lưu huỳnh trong axit sunfuric H₂SO₄ có số oxi hóa là cộng 6. Bài viết này sẽ giúp bạn nắm chắc các quy tắc xác định số oxi hóa, luyện tập với bốn ví dụ tính từng bước, tránh năm lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự kiểm tra bằng năm câu trắc nghiệm kèm giải thích cặn kẽ.
1. Quy tắc xác định số oxi hóa của một nguyên tố
Số oxi hóa của một nguyên tố là điện tích mà nguyên tử của nguyên tố đó có được nếu giả thiết rằng tất cả các liên kết trong phân tử đều là liên kết ion, tức là cặp electron dùng chung bị chuyển hẳn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Bạn đừng nhầm số oxi hóa với điện tích thực của ion, vì trong các hợp chất cộng hóa trị, các nguyên tử không thực sự mang điện tích như số oxi hóa đã gán cho chúng. Số oxi hóa chỉ là một con số quy ước, nhưng nó rất hữu ích trong việc cân bằng các phản ứng oxi hóa khử, vì nó cho bạn biết nguyên tử nào đã nhường electron và nguyên tử nào đã nhận electron.
Có sáu quy tắc mà bạn cần thuộc lòng để xác định số oxi hóa. Quy tắc thứ nhất: số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất bằng 0, ví dụ như H₂, O₂, N₂, Fe, Cu đều có số oxi hóa bằng 0. Quy tắc thứ hai: trong hợp chất, hiđro thường có số oxi hóa là cộng 1, trừ trường hợp hiđrua kim loại như NaH thì hiđro có số oxi hóa là trừ 1. Quy tắc thứ ba: trong hợp chất, oxi thường có số oxi hóa là trừ 2, trừ trường hợp peoxit như H₂O₂ thì oxi có số oxi hóa là trừ 1, còn trong OF₂ thì oxi có số oxi hóa là cộng 2. Quy tắc thứ tư: các kim loại nhóm IA có số oxi hóa là cộng 1, các kim loại nhóm IIA có số oxi hóa là cộng 2, còn nhôm có số oxi hóa là cộng 3. Quy tắc thứ năm: tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tử trong một phân tử trung hòa bằng 0. Quy tắc thứ sáu: tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tử trong một ion bằng điện tích của ion đó.
Để tính số oxi hóa của một nguyên tố chưa biết, bạn hãy làm theo ba bước: gọi số oxi hóa cần tìm là x, viết phương trình tổng số oxi hóa bằng 0 đối với phân tử trung hòa hoặc bằng điện tích của ion đối với ion, rồi giải phương trình để tìm x. Ví dụ với axit sunfuric H₂SO₄, bạn gọi số oxi hóa của lưu huỳnh là x, biết hiđro có số oxi hóa là cộng 1 và oxi có số oxi hóa là trừ 2, rồi viết phương trình 2 nhân cộng 1 cộng x cộng 4 nhân trừ 2 bằng 0, giải ra x bằng cộng 6. Cách làm này rất đơn giản, nhưng bạn phải cẩn thận nhân đúng chỉ số của từng nguyên tố, vì nhiều bạn hay quên nhân số oxi hóa với chỉ số của nguyên tử trong công thức.
Số oxi hóa cũng có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu độ âm điện, vì nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ nhận electron và có số oxi hóa âm, còn nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn sẽ nhường electron và có số oxi hóa dương. Bạn cũng nên ôn lại phương pháp bảo toàn electron, vì số oxi hóa là công cụ chính để xác định số electron mà mỗi nguyên tử đã nhường hay nhận trong phản ứng oxi hóa khử. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
2. Bốn ví dụ xác định số oxi hóa từng bước
Ví dụ 1: Xác định số oxi hóa của S trong H₂SO₄.
Đây là ví dụ gốc của bài, và bạn hãy làm theo đúng ba bước chuẩn. Bước đầu tiên, bạn gọi số oxi hóa của lưu huỳnh là x, biết hiđro có số oxi hóa là cộng 1 và oxi có số oxi hóa là trừ 2. Bước thứ hai, bạn viết phương trình tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0: 2 nhân cộng 1 cộng x cộng 4 nhân trừ 2 bằng 0. Bước thứ ba, bạn giải phương trình: 2 cộng x trừ 8 bằng 0, suy ra x bằng cộng 6. Vậy số oxi hóa của lưu huỳnh trong H₂SO₄ bằng cộng 6. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách cộng tất cả các số oxi hóa: 2 nhân cộng 1 bằng cộng 2, cộng 6 bằng cộng 8, 4 nhân trừ 2 bằng trừ 8, cộng 8 với trừ 8 bằng 0, khớp với quy tắc tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0.
Ví dụ 2: Xác định số oxi hóa của Mn trong KMnO₄.
Ví dụ này cho bạn luyện thêm với một hợp chất mà nhiều bạn hay gặp trong bài tập về thuốc tím. Bước đầu tiên, bạn gọi số oxi hóa của mangan là x, biết kali thuộc nhóm IA nên có số oxi hóa là cộng 1, còn oxi có số oxi hóa là trừ 2. Bước thứ hai, bạn viết phương trình tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0: cộng 1 cộng x cộng 4 nhân trừ 2 bằng 0. Bước thứ ba, bạn giải phương trình: 1 cộng x trừ 8 bằng 0, suy ra x bằng cộng 7. Vậy số oxi hóa của mangan trong KMnO₄ bằng cộng 7. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách cộng tất cả các số oxi hóa: cộng 1 cộng 7 bằng cộng 8, 4 nhân trừ 2 bằng trừ 8, cộng 8 với trừ 8 bằng 0, khớp với quy tắc tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0.
Ví dụ 3: Xác định số oxi hóa của N trong NH₃.
Ví dụ này cho bạn luyện thêm với một hợp chất mà số oxi hóa cần tìm là số âm. Bước đầu tiên, bạn gọi số oxi hóa của nitơ là x, biết hiđro có số oxi hóa là cộng 1. Bước thứ hai, bạn viết phương trình tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0: x cộng 3 nhân cộng 1 bằng 0. Bước thứ ba, bạn giải phương trình: x cộng 3 bằng 0, suy ra x bằng trừ 3. Vậy số oxi hóa của nitơ trong NH₃ bằng trừ 3. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách cộng tất cả các số oxi hóa: trừ 3 cộng 3 nhân cộng 1 bằng trừ 3 cộng 3, bằng 0, khớp với quy tắc tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0.
Ví dụ 4: Xác định số oxi hóa của S trong ion SO₄²⁻.
Ví dụ này cho bạn luyện thêm với một ion, nơi tổng số oxi hóa không bằng 0 mà bằng điện tích của ion. Bước đầu tiên, bạn gọi số oxi hóa của lưu huỳnh là x, biết oxi có số oxi hóa là trừ 2. Bước thứ hai, bạn viết phương trình tổng số oxi hóa trong ion bằng điện tích của ion, tức là bằng trừ 2: x cộng 4 nhân trừ 2 bằng trừ 2. Bước thứ ba, bạn giải phương trình: x trừ 8 bằng trừ 2, suy ra x bằng cộng 6. Vậy số oxi hóa của lưu huỳnh trong ion SO₄²⁻ bằng cộng 6. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách cộng tất cả các số oxi hóa: cộng 6 cộng 4 nhân trừ 2 bằng cộng 6 trừ 8, bằng trừ 2, khớp với điện tích của ion SO₄²⁻. Bạn có nhận ra điều thú vị không: lưu huỳnh có cùng số oxi hóa là cộng 6 trong cả H₂SO₄ và SO₄²⁻, vì ion SO₄²⁻ chính là phần còn lại của phân tử H₂SO₄ sau khi mất đi hai ion H⁺.
3. Năm lỗi sai thường gặp khi xác định số oxi hóa
Lỗi 1: Quên tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0, không lập phương trình.
Nhiều bạn thấy công thức H₂SO₄ thì đoán ngay số oxi hóa của lưu huỳnh bằng cộng 4 hoặc cộng 2, mà không lập phương trình tổng số oxi hóa để tính. Nhưng số oxi hóa không phải là con số để đoán, mà phải tính bằng cách giải phương trình tổng số oxi hóa. Cách tránh: mỗi khi xác định số oxi hóa, bạn hãy viết rõ phương trình tổng số oxi hóa bằng 0 đối với phân tử trung hòa, rồi mới giải phương trình để tìm x.
Lỗi 2: Nhầm dấu của hiđro và oxi.
Nhiều bạn nhớ ngược dấu của hiđro và oxi, cho rằng hiđro có số oxi hóa là trừ 1 còn oxi có số oxi hóa là cộng 2, rồi tính ra số oxi hóa của lưu huỳnh trong H₂SO₄ bằng trừ 6. Nhưng trong hầu hết các hợp chất, hiđro có số oxi hóa là cộng 1 vì nó dễ nhường electron, còn oxi có số oxi hóa là trừ 2 vì nó dễ nhận electron. Cách tránh: bạn hãy nhớ theo logic, hiđro là nguyên tố có độ âm điện nhỏ nên dễ nhường electron và mang số oxi hóa dương, còn oxi là nguyên tố có độ âm điện lớn nên dễ nhận electron và mang số oxi hóa âm.
Lỗi 3: Quên nhân số oxi hóa với chỉ số của nguyên tử trong công thức.
Nhiều bạn viết phương trình tổng số oxi hóa của H₂SO₄ thành cộng 1 cộng x cộng trừ 2 bằng 0, quên nhân số oxi hóa của hiđro với chỉ số 2 và số oxi hóa của oxi với chỉ số 4, rồi tính ra x bằng cộng 1. Nhưng trong công thức H₂SO₄ có 2 nguyên tử hiđro và 4 nguyên tử oxi, nên bạn phải nhân số oxi hóa của hiđro với 2 và số oxi hóa của oxi với 4. Cách tránh: mỗi khi viết phương trình tổng số oxi hóa, bạn hãy kiểm tra lại từng nguyên tố xem nó có bao nhiêu nguyên tử trong công thức, rồi nhân số oxi hóa với đúng chỉ số đó.
Lỗi 4: Nhầm tổng số oxi hóa trong ion bằng 0 thay vì bằng điện tích của ion.
Nhiều bạn tính số oxi hóa của lưu huỳnh trong ion SO₄²⁻ bằng cách viết phương trình x cộng 4 nhân trừ 2 bằng 0, rồi tính ra x bằng cộng 8. Nhưng ion SO₄²⁻ mang điện tích trừ 2, nên tổng số oxi hóa của nó phải bằng trừ 2, chứ không phải bằng 0, và đáp án đúng là cộng 6. Cách tránh: mỗi khi xác định số oxi hóa trong một ion, bạn hãy nhìn vào điện tích của ion trước, rồi viết phương trình tổng số oxi hóa bằng đúng điện tích đó.
Lỗi 5: Cho rằng số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất khác 0.
Nhiều bạn thấy nguyên tử sắt trong kim loại sắt thì cho rằng nó có số oxi hóa là cộng 2 hoặc cộng 3, vì sắt thường tạo hợp chất với hóa trị II hoặc III. Nhưng ở dạng đơn chất, nguyên tử sắt chưa nhường hay nhận electron cho ai cả, nên số oxi hóa của nó bằng 0. Cách tránh: bạn hãy nhớ rằng số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất luôn bằng 0, dù nguyên tố đó là kim loại hay phi kim, và chỉ khi nó tạo hợp chất với nguyên tố khác thì số oxi hóa mới khác 0.
4. Năm bài tập trắc nghiệm về số oxi hóa
Câu 1: Số oxi hóa của C trong CO₂ bằng bao nhiêu?
A. +2
B. −4
C. +4
D. 0
Câu 2: Số oxi hóa của Fe trong Fe₂O₃ bằng bao nhiêu?
A. +2
B. +6
C. +3
D. −3
Câu 3: Số oxi hóa của N trong HNO₃ bằng bao nhiêu?
A. +3
B. −3
C. +1
D. +5
Câu 4: Số oxi hóa của N trong ion NO₃⁻ bằng bao nhiêu?
A. +3
B. +4
C. +5
D. −1
Câu 5: Số oxi hóa của C trong CH₄ bằng bao nhiêu?
A. +4
B. −2
C. 0
D. −4
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | C | C | D | C | D |
Giải thích Câu 1 — Đáp án C (+4) đúng: Gọi số oxi hóa của cacbon là x, oxi có số oxi hóa là −2, viết phương trình x cộng 2 nhân trừ 2 bằng 0, giải ra x bằng +4. Đáp án A (+2) sai vì +2 là kết quả khi bạn quên nhân số oxi hóa của oxi với chỉ số 2, tức là viết phương trình x trừ 2 bằng 0. Đáp án B (−4) sai vì −4 là kết quả khi bạn nhầm dấu của oxi thành +2, tức là viết phương trình x cộng 4 bằng 0. Đáp án D (0) sai vì 0 là số oxi hóa của cacbon ở dạng đơn chất, không phải trong hợp chất CO₂.
Giải thích Câu 2 — Đáp án C (+3) đúng: Gọi số oxi hóa của sắt là x, oxi có số oxi hóa là −2, viết phương trình 2x cộng 3 nhân trừ 2 bằng 0, tức là 2x trừ 6 bằng 0, giải ra x bằng +3. Đáp án A (+2) sai vì +2 là số oxi hóa của sắt trong FeO, không phải trong Fe₂O₃. Đáp án B (+6) sai vì +6 là kết quả khi bạn quên chia cho 2 sau khi giải phương trình 2x bằng 6. Đáp án D (−3) sai vì −3 là kết quả khi bạn nhầm dấu của oxi thành +2, tức là viết phương trình 2x cộng 6 bằng 0.
Giải thích Câu 3 — Đáp án D (+5) đúng: Gọi số oxi hóa của nitơ là x, hiđro có số oxi hóa là +1, oxi có số oxi hóa là −2, viết phương trình +1 cộng x cộng 3 nhân trừ 2 bằng 0, tức là x trừ 5 bằng 0, giải ra x bằng +5. Đáp án A (+3) sai vì +3 là số oxi hóa của nitơ trong HNO₂, không phải trong HNO₃. Đáp án B (−3) sai vì −3 là số oxi hóa của nitơ trong NH₃, không phải trong HNO₃. Đáp án C (+1) sai vì +1 là số oxi hóa của hiđro trong HNO₃, không phải của nitơ.
Giải thích Câu 4 — Đáp án C (+5) đúng: Gọi số oxi hóa của nitơ là x, oxi có số oxi hóa là −2, viết phương trình x cộng 3 nhân trừ 2 bằng −1, vì ion NO₃⁻ mang điện tích −1, tức là x trừ 6 bằng −1, giải ra x bằng +5. Đáp án A (+3) sai vì +3 là kết quả khi bạn viết phương trình x cộng 3 nhân trừ 2 bằng 0, tức là nhầm tổng số oxi hóa trong ion bằng 0. Đáp án B (+4) sai vì +4 là kết quả khi bạn viết phương trình x cộng 3 nhân trừ 2 bằng −2, tức là nhầm điện tích của ion NO₃⁻ thành −2. Đáp án D (−1) sai vì −1 là điện tích của ion NO₃⁻, không phải số oxi hóa của nitơ.
Giải thích Câu 5 — Đáp án D (−4) đúng: Gọi số oxi hóa của cacbon là x, hiđro có số oxi hóa là +1, viết phương trình x cộng 4 nhân +1 bằng 0, tức là x cộng 4 bằng 0, giải ra x bằng −4. Đáp án A (+4) sai vì +4 là số oxi hóa của cacbon trong CO₂, không phải trong CH₄. Đáp án B (−2) sai vì −2 là kết quả khi bạn quên nhân số oxi hóa của hiđro với chỉ số 4, tức là viết phương trình x cộng 1 bằng 0 rồi nhầm dấu. Đáp án C (0) sai vì 0 là số oxi hóa của cacbon ở dạng đơn chất, không phải trong hợp chất CH₄.
5. Câu hỏi thường gặp về số oxi hóa
Số oxi hóa là gì?
Số oxi hóa của một nguyên tố là điện tích mà nguyên tử của nguyên tố đó có được nếu giả thiết rằng tất cả các liên kết trong phân tử đều là liên kết ion, tức là cặp electron dùng chung bị chuyển hẳn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Số oxi hóa là một con số quy ước, nhưng nó rất hữu ích trong việc cân bằng các phản ứng oxi hóa khử, vì nó cho bạn biết nguyên tử nào đã nhường electron và nguyên tử nào đã nhận electron.
Số oxi hóa khác điện tích của ion như thế nào?
Điện tích của ion là điện tích thực mà ion mang, ví dụ ion Na⁺ mang điện tích +1, ion Cl⁻ mang điện tích −1. Số oxi hóa là điện tích quy ước gán cho từng nguyên tử trong một phân tử, ví dụ trong phân tử H₂SO₄, lưu huỳnh có số oxi hóa là +6 nhưng không thực sự mang điện tích +6. Trong các hợp chất ion, số oxi hóa trùng với điện tích của ion, nhưng trong các hợp chất cộng hóa trị, số oxi hóa chỉ là con số quy ước.
Vì sao hiđro thường có số oxi hóa là +1 còn oxi thường có số oxi hóa là −2?
Vì hiđro là nguyên tố có độ âm điện nhỏ nên dễ nhường electron và mang số oxi hóa dương, còn oxi là nguyên tố có độ âm điện lớn nên dễ nhận electron và mang số oxi hóa âm. Trong hầu hết các hợp chất, hiđro nhường 1 electron nên có số oxi hóa là +1, còn oxi nhận 2 electron nên có số oxi hóa là −2. Có một vài ngoại lệ, như hiđrua kim loại thì hiđro có số oxi hóa là −1, còn peoxit thì oxi có số oxi hóa là −1.
Số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất bằng bao nhiêu?
Số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất luôn bằng 0, dù nguyên tố đó là kim loại hay phi kim. Ví dụ H₂, O₂, N₂, Fe, Cu đều có số oxi hóa bằng 0, vì ở dạng đơn chất, nguyên tử chưa nhường hay nhận electron cho ai cả. Chỉ khi nguyên tố tạo hợp chất với nguyên tố khác thì số oxi hóa mới khác 0.
Số oxi hóa dùng để làm gì?
Số oxi hóa dùng để xác định chất oxi hóa và chất khử trong một phản ứng hóa học, và để cân bằng các phản ứng oxi hóa khử bằng phương pháp thăng bằng electron. Nguyên tử nào có số oxi hóa tăng sau phản ứng thì đã nhường electron và là chất khử, còn nguyên tử nào có số oxi hóa giảm sau phản ứng thì đã nhận electron và là chất oxi hóa. Nhờ số oxi hóa mà bạn có thể cân bằng các phản ứng oxi hóa khử một cách chính xác.
6. Kết luận
Số oxi hóa của một nguyên tố được xác định bằng sáu quy tắc: số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất bằng 0, hiđro thường có số oxi hóa là +1, oxi thường có số oxi hóa là −2, các kim loại nhóm IA có số oxi hóa là +1, các kim loại nhóm IIA có số oxi hóa là +2, và tổng số oxi hóa trong một phân tử trung hòa bằng 0, còn trong một ion thì bằng điện tích của ion đó. Bạn đã đi qua bốn ví dụ tính từng bước, từ lưu huỳnh trong H₂SO₄ có số oxi hóa là +6, qua mangan trong KMnO₄ có số oxi hóa là +7, nitơ trong NH₃ có số oxi hóa là −3, đến lưu huỳnh trong ion SO₄²⁻ cũng có số oxi hóa là +6. Bạn cũng đã biết năm lỗi sai thường gặp, từ việc quên lập phương trình tổng số oxi hóa, nhầm dấu của hiđro và oxi, cho đến việc quên nhân số oxi hóa với chỉ số của nguyên tử trong công thức.
Để học chắc bài này, bạn hãy tự làm lại năm câu trắc nghiệm mà không nhìn đáp án, rồi đối chiếu với bảng đáp án và đọc kĩ phần giải thích của từng câu, đặc biệt là câu 4 về ion NO₃⁻, vì đó là dạng bài cần nhớ tổng số oxi hóa trong ion bằng điện tích của ion, không phải bằng 0. Sau đó, bạn hãy thử tự đặt thêm vài bài toán cho chính mình, ví dụ như xác định số oxi hóa của Cr trong K₂Cr₂O₇, hoặc xác định số oxi hóa của P trong H₃PO₄. Khi cần kiểm tra phép tính, bạn có thể dùng máy tính Casio online để tính nhanh, nhưng bạn vẫn cần hiểu rõ từng bước để làm bài tốt trong phòng thi. Chúc bạn học tốt và luôn tự tin mỗi khi gặp bài toán về số oxi hóa trong chương trình Hóa học lớp 10.