דרגת חמצון היא מטען מוסכם של אטום בתרכובת, המחושב בהנחה שכל הקשרים בין האטומים הם יוניים. היא מראה כמה אלקטרונים אטום מסר או משך אליו. בדף זה תמצא הגדרה ברורה, את כל הכללים לקביעת דרגת חמצון, טבלת ערכים קבועים, אלגוריתם שלב אחר שלב וסימולטור אינטראקטיבי לתרגול הנושא.
מהי דרגת חמצון
דרגת חמצון (ד"ח) היא מטען מוסכם של אטום במולקולה, שהיה לו אילו כל האלקטרונים בקשרים המשותפים היו עוברים במלואם לאטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה יותר. במילים פשוטות, זהו "מונה" אלקטרונים: אטום שמוסר אלקטרונים מקבל דרגת חמצון חיובית, וזה שמושך אותם מקבל שלילית.
דרגת חמצון נרשמת תמיד עם הסימן לפני המספר ונכתבת מעל סמל היסוד: למשל, במים H₂O למימן יש +1, ולחמצן −2. זה מבדיל אותה ממטען יון (S²⁻, Fe³⁺), שבו הסימן נכתב אחרי המספר.
דרגת חמצון יכולה להיות חיובית, שלילית או אפס, ולרבים מהיסודות היא משתנה — היא משתנה מתרכובת לתרכובת. לכן חשוב לדעת איך לקבוע אותה, ולא רק לשנן.
כללי דרגת חמצון: טבלת ערכים קבועים
כדי לקבוע דרגת חמצון, צריך להכיר כמה כללים מוצקים. לחלק מהיסודות יש דרגת חמצון קבועה בכל תרכובת — הערכים שלהם מרוכזים בטבלה למטה. איתם מתחילים את קביעת הדרגות.
מלבד הערכים הקבועים, פועלים שלושה כללים עיקריים:
- בחומר פשוט דרגת החמצון של כל אטום שווה ל-0 (Fe, O₂, H₂, S₈);
- סכום דרגות החמצון של כל האטומים במולקולה שווה ל-0 — המולקולה ניטרלית חשמלית;
- ביון סכום דרגות החמצון שווה למטען היון (למשל, ב-SO₄²⁻ הסכום שווה ל-−2).
| יסוד | דרגת חמצון | חריגים |
|---|---|---|
| חומר פשוט O₂, H₂, Fe, Cu, S | 0 | אין חריגים |
| פלואור F | −1 | תמיד −1, אין ערכים אחרים |
| מתכות קבוצה I Na, K, Li, Ag | +1 | קבועה |
| מתכות קבוצה II Ca, Mg, Zn, Ba | +2 | קבועה |
| אלומיניום Al | +3 | קבועה |
| מימן H | +1 | −1 בהידרידים של מתכות: NaH, CaH₂ |
| חמצן O | −2 | −1 בפרוקסידים (H₂O₂); +2 ב-OF₂ |
איך לקבוע דרגת חמצון בתרכובת
כאשר בנוסחה יש יסוד עם דרגת חמצון משתנה (גופרית, חנקן, כלור, מנגן, זרחן), מוצאים אותה באמצעות משוואה. האלגוריתם אוניברסלי: תחילה מציבים את כל מה שידוע בוודאות, לאחר מכן מסמנים את הנעלם ב-x ופותרים את משוואת הסכום. חמישה שלבים — להלן.
0, אין צורך לחשב+1, חמצן −2, פלואור −1 — לפי הטבלה למעלה0 למולקולה או = למטען היון+ או −דרגת חמצון עליונה ותחתונה
ליסוד יש דרגת חמצון עליונה ותחתונה — ערכי קיצון שביניהם נמצאים כל השאר.
- דרגת חמצון עליונה שווה בדרך כלל למספר הקבוצה בטבלה המחזורית (עבור יסודות בתת-קבוצות ראשיות). למשל, גופרית בקבוצה VI → ד"ח עליונה +6 (H₂SO₄), חנקן בקבוצה V → +5 (HNO₃), כלור בקבוצה VII → +7 (HClO₄). היא באה לידי ביטוי בתרכובות עם יסודות אלקטרושליליים יותר — לרוב עם חמצן.
- דרגת חמצון תחתונה עבור אל-מתכות שווה למספר הקבוצה פחות 8. עבור גופרית זה 6 − 8 = −2 (H₂S), עבור חנקן 5 − 8 = −3 (NH₃). היא באה לידי ביטוי בתרכובות עם מימן ומתכות.
יש חריגים: למשל, לפלואור אין ד"ח חיובית עליונה — הוא הכי אלקטרושלילי ותמיד −1; לחמצן ד"ח עליונה +2 מופיעה רק ב-OF₂.
דוגמאות לקביעת דרגת חמצון
דוגמה 1. גופרית ב-H₂SO₄
משימה: לקבוע את דרגת החמצון של גופרית בחומצה גופרתית H₂SO₄.
שלב 1. זה לא חומר פשוט — בנוסחה יש שלושה יסודות.
שלב 2. מציבים ד"ח קבועות: מימן +1 (2 אטומים), חמצן −2 (4 אטומים).
שלב 3. דרגת החמצון של גופרית לא ידועה — נסמן אותה ב-x.
שלב 4. בונים משוואה (סכום כל הד"ח במולקולה = 0):
שלב 5. פותרים: \(2 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +6\).
תשובה: דרגת החמצון של גופרית ב-H₂SO₄ שווה ל-+6.
דוגמה 2. מנגן ב-KMnO₄
משימה: לקבוע את דרגת החמצון של מנגן באשלגן פרמנגנט KMnO₄.
שלב 1–2. ד"ח קבועות: אשלגן (מתכת קבוצה I) +1, חמצן −2 (4 אטומים).
שלב 3. מנגן — יסוד עם ד"ח משתנה, נסמן ב-x.
שלב 4. משוואת סכום:
שלב 5. פותרים: \(1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7\).
תשובה: דרגת החמצון של מנגן שווה ל-+7 — זו דרגת החמצון העליונה שלו (Mn בקבוצה VII).
דוגמה 3. קביעה לפי נוסחת התחמוצת Fe₂O₃
משימה: לקבוע את דרגת החמצון של ברזל בתחמוצת Fe₂O₃.
שלב 1–2. חמצן הוא תמיד −2, יש 3 אטומי חמצן, כלומר התרומה הכוללת של החמצן: \(3 \cdot (-2) = -6\).
שלב 3. דרגת החמצון של ברזל תסומן ב-x, יש 2 אטומי ברזל.
שלב 4. משוואה: \(2x + 3 \cdot (-2) = 0\).
שלב 5. פותרים: \(2x - 6 = 0 \Rightarrow 2x = 6 \Rightarrow x = +3\).
תשובה: דרגת החמצון של ברזל שווה ל-+3. בדיקה: שני אטומים של +3 נותנים +6, שלושה אטומי חמצן נותנים −6, סכום 0 — נכון.
טעויות נפוצות בקביעת דרגת חמצון
-
מבלבלים בין דרגת חמצון לערכיות.
ערכיות היא מספר הקשרים הכימיים של אטום, אין לה סימן (תמיד מספר חיובי: I, II, III). דרגת חמצון היא מטען מוסכם עם סימן (+ או −) ויכולה להיות אפס. למשל, ב-N₂ הערכיות של חנקן היא III, אך דרגת החמצון היא 0.
-
מציבים סימן לא נכון: כותבים מספר ואז פלוס או מינוס (2+ במקום +2).
בדרגת חמצון הסימן נכתב לִפְנֵי המספר ומעל סמל היסוד: +2, −3, +6. כתיבה עם סימן אחרי המספר (S²⁻) מתייחסת למטען יון, לא לדרגת חמצון.
-
חושבים שחמצן הוא תמיד −2, ומימן תמיד +1.
זה עובד כמעט תמיד, אך יש חריגים. חמצן בפרוקסידים (H₂O₂) הוא −1, וב-OF₂ אפילו +2. מימן בהידרידים של מתכות (NaH, CaH₂) הוא −1, כי המתכת אלקטרוחיובית עוד יותר.
-
שוכחים שסכום דרגות החמצון במולקולה שווה לאפס.
מולקולה ניטרלית חשמלית, לכן סכום (ד"ח × מספר אטומים) לכל היסודות תמיד = 0. עבור יון סכום זה שווה למטען היון. זו המשוואה העיקרית שממנה מוצאים את דרגת החמצון הלא ידועה.
-
לא מכפילים את דרגת החמצון במספר האטומים של היסוד.
במשוואת הסכום יש להכפיל כל ד"ח באינדקס (מספר אטומים). ב-H₂SO₄ מימן נותן לא +1, אלא 2·(+1) = +2, חמצן לא −2, אלא 4·(−2) = −8. דילוג על האינדקס הוא הטעות החשבונית הנפוצה ביותר.
שאלות ותשובות
מה ההבדל בין דרגת חמצון לערכיות?
ערכיות מראה את מספר הקשרים הכימיים של אטום ואין לה סימן (מסומנת בספרות רומיות: I, II, III). דרגת חמצון היא מטען מוסכם של אטום, יש לה סימן (+ או −) והיא יכולה להיות אפס או שבר. אצל יסודות רבים ערכים אלו זהים בערכם המוחלט, אך לא תמיד: במולקולה N₂ הערכיות של חנקן היא III, ודרגת החמצון היא 0.
איך לקבוע דרגת חמצון עליונה של יסוד?
דרגת החמצון העליונה (החיובית המקסימלית) של יסוד בתת-קבוצה ראשית שווה למספר הקבוצה שלו בטבלה המחזורית. למשל, גופרית בקבוצה VI היא בעלת ד"ח עליונה +6, חנקן בקבוצה V היא +5, כלור בקבוצה VII היא +7. היא באה לידי ביטוי בתרכובות עם חמצן. חריגים: לחמצן ולפלואור אין ד"ח חיובית עליונה השווה למספר הקבוצה.
איך לקבוע דרגת חמצון תחתונה?
עבור אל-מתכות דרגת החמצון התחתונה (המינימלית) שווה למספר הקבוצה פחות 8. עבור גופרית זה 6 − 8 = −2 (ב-H₂S), עבור חנקן 5 − 8 = −3 (ב-NH₃), עבור כלור 7 − 8 = −1 (ב-HCl). ד"ח תחתונה באה לידי ביטוי בתרכובות עם מימן ומתכות. אצל מתכות דרגת החמצון התחתונה היא 0 (בחומר פשוט).
מהי דרגת החמצון של חומר פשוט?
לכל אטום בחומר פשוט דרגת החמצון שווה ל-0. זה נכון גם למתכות (Fe, Cu, Na) וגם לאל-מתכות (O₂, H₂, S₈, Cl₂, P₄). הסיבה פשוטה: אטומים של אותו יסוד מושכים אלקטרונים משותפים באותה מידה, לכן המטען המוסכם שווה לאפס.
האם חמצן תמיד בעל דרגת חמצון −2?
כמעט תמיד, אך יש שני חריגים. בפרוקסידים (H₂O₂, Na₂O₂) דרגת החמצון של חמצן היא −1, כי אטומי החמצן קשורים זה לזה. בתרכובת עם פלואור OF₂ לחמצן יש ד"ח חיובית +2, כי פלואור אלקטרושלילי עוד יותר.
האם דרגת חמצון יכולה להיות שברית?
כן, אך זהו ערך ממוצע (פורמלי). למשל, ב-Fe₃O₄ דרגת החמצון הממוצעת של ברזל היא +8/3, כי בנוסחה מעורבבים אטומים עם ד"ח +2 ו-+3. בתוכנית הלימודים בבית הספר מקרים כאלה נלמדים לעיתים רחוקות — בדרך כלל דרגת החמצון היא מספר שלם.
