什么是“氧化态”？从定义到表征，全面解读其在化学研究与技术创新中的关键作用

说明：本文华算科技介绍了氧化态的定义、本质、基本规则、作用与重要性，以及XPS、XAS、CV等表征方法。读者可系统学习到氧化态的判断逻辑、在氧化还原反应判断、催化剂与材料设计中的应用，了解如何通过现代技术表征氧化态，为化学研究与技术创新提供理论支撑。

氧化态（Oxidation State），又称氧化数，是指一个原子在一个化合物中，假设所有键为完全离子键时该原子“看似”带有的电荷数。它不是实际存在的电荷，而是一种人为定义、用于描述电子转移情况的工具。

氧化态的本质是对“电子得失”的抽象描述。若一个原子获得电子，则其氧化态降低；若失去电子，则氧化态升高。

比如：在水（H₂O）分子中，氧原子的电负性大于氢，因此氧“获得”两个电子，其氧化态为-2；每个氢“失去”一个电子，氧化态为+1。

图1：水分子示意图

为方便判断，化学界总结出一套通用规则：

1、单质中元素氧化态为0：如O₂、Cl₂、Fe等。

2、单原子离子的氧化态等于其电荷：如Na⁺是+1，Cl⁻是-1。

3、氢通常是+1：但在金属氢化物（如NaH）中为-1。

4、氧通常是-2：但在过氧化物（如H₂O₂）中为-1。

5、碱金属总为+1，碱土金属总为+2。

6、中性化合物中氧化态之和为0。

7、多原子离子中氧化态之和等于离子总电荷。

这些规则为我们判断一个化学反应中各元素的氧化态提供了标准依据。比如：在KMnO₄中，K为+1，O为-2（×4 = -8），整体为0，所以Mn的氧化态为+7。

图2：KMnO₄示意图

氧化态的变化是氧化还原反应的核心标志。通过比较反应前后元素的氧化态变化，我们可以判断一个化学反应是否为氧化还原反应。

在氧化还原反应中：失去电子的物质被氧化，氧化态升高；获得电子的物质被还原，氧化态降低。

例如，Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu，在该反应中，Zn从0变为+2，失去电子被氧化；而Cu²⁺从+2变为0，获得电子被还原。

氧化态虽然是一个理论上的概念，但通过现代分析技术，我们可以间接地表征到氧化态的变化。以下是一些常见的表征方法：

XPS是一种广泛用于分析材料表面元素的技术，通过测定材料表面原子的结合能来推测氧化态。通过XPS测量，可以区分不同价态的元素，从而得到其氧化态。

图3：XPS表征。DOI：10.1007/s10854-025-15586-1

同步辐射源提供了极高强度和能量分辨率的X射线光束，使得XAS在探测局部电子结构和氧化态变化方面更为敏感。

XANES可用于定量分析氧化态的微小变化，而EXAFS则能够揭示配位数、键长和结构无序度等原子尺度信息。通过同步辐射进行原位/操作条件下的XAS测量，已成为研究电催化剂和能源材料中氧化还原机制的重要手段。

研究员利用同步辐射X射线吸收光谱（XAS）中的X射线吸收近边结构（XANES）来测定催化剂中Rh和Cr的氧化态。

通过将样品DAP-(Cr,Rh)/CN的Rh K-edge XANES谱图与Rh³⁺标准物（如Rh(acac)₃）和金属Rh箔对比，发现其吸收边能量与Rh³⁺标准一致，表明Rh为+3价。同样，Cr K-edge XANES谱图显示其吸收边能量介于Cr⁰和Cr₂O₃之间，表明Cr也为+3价。

图4：XAS表征。DOI：10.1002/anie.202503095

在电催化研究中，循环伏安法（CV）用于分析氧化还原反应中的电位变化。通过测定电流-电压曲线中的氧化还原峰，可以推测金属的氧化态变化及其反应性。

图5：CV曲线。DOI：10.1038/s41557-025-01784-1

FTIR技术常用于研究反应过程中中间体的变化，通过红外吸收峰的变化来反映氧化态的动态变化。原位FTIR结合XPS或XAS，能够更精确地判断氧化态的演化。

图6：原位红外表征。DOI：10.1016/j.jcat.2025.116069

HRTEM能够提供材料的原子级结构信息，结合电子衍射分析，可以直接观察到催化剂表面氧化态的变化。通过对比不同氧化态下的结构特征，研究人员能够分析催化反应的机制。

图7：原位TEM。DOI：10.1038/s41467-017-00371-4