4.11
בתגובות חמצון-חיזור, העברת אלקטרונים מתרחשת בין מינים מגיבים. העברת אלקטרונים מתוארת על ידי מספר היפותטי הנקרא מספר החמצון (או מצב החמצון). הוא מייצג…
תגובות חמזור בין מתכות לאל-מתכות לרוב כוללות מעבר מוחלט של אלקטרונים היוצרים תרכובות יוניות, ולכן קל לזהות אותן. אך תגובות חמזור בין אל-מתכות בלבד כוללות מעבר חלקי של אלקטרונים, ולכן קשה לזהות אותן. תגובות חמזור מאופיינות בשינוי דרגת החמצון של האטומים, שמצביע על תנועת אלקטרונים בין האטומים.
דרגת החמצון או מספר חמצון של אטום בתרכובות היא המטען שהיה לו אם האלקטרונים המשותפים בכל קשר הטרונוקליארי היו מועברים במלואם לאטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה יותר. קשרים הטרונוקליאריים מאופיינים בחלוקה שווה. לדוגמה, במימן כלורי גזי, כלור הוא בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר.
אם אלקטרון של מימן עובר כולו לכלור, כלור מקבל מטען מינוס אחד, התואם לדרגת חמצן מינוס אחד, ומימן מקבל מטען פלוס אחד, התואם את דרגת חמצון פלוס אחד. דרגות חמצון ניתנות להגדרה כשמדובר באטומים במצב יסודי וברוב היונים והתרכובות בעזרת חוקים מסוימים. תמיד יש להחיל את שלושת החוקים הראשונים.
את יתר החוקים צריך להחיל זה אחר זה עד ששלושת החוקים הראשונים חלים במלואם. החוקים יוחלו כעת כדי לקבוע האם תגובות ההיווצרות של גופרית דו חמצנית וסידן פחמתי היא חמזור. לפי החוק הראשון, ליסודות במצב חופשי יש מספר חמצון אפס, אז ליסודות גופרית וחמצן נקבע מספר חמצון אפס.
לפי החוק השלישי, הסכום של מספרי חמצון בתרכובת ניטרלית הוא אפס, אז מספר חמצון של גופרית וחמצן ב-SO-2 חייב להסתכם באפס. לפי החוק השישי, מספר החמצון בכל חמצן ב-SO-2 הוא מינוס שתיים. הסכום של שני אטומי חמצן הוא מינוס ארבע.
לכן, מספר החמצון של גופרית הוא פלוס ארבע. מספר החמצון של גופרית גדל מאפס לפלוס ארבע, מה שאומר שהוא התחמצן, בזמן שמספר החמצון של חמצן יורד מאפס למינוס שתיים, כלומר, הוא עבר חיזור. לכן, זה תהליך חמזור.
במקרה של סידן פחמתי, מספר החמצון של חמצן הוא מינוס שתיים בכל שלוש התרכובות, וסידן הוא פלוס שתיים בתחמוצת הסידן ובסידן פחמתי. לפי החוק השלישי, פחמן חייב להיות פלוס ארבע בפחמן דו חמצני ובסידן פחמתי. מכיוון שאין שינוי במספרי החמצון של האטומים בזמן התגובה, זו אינה תגובת חמזור.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is an oxidation number and how does it relate to electron transfer?
An oxidation number is a hypothetical charge assigned to an atom in a compound that represents the effective charge if shared electrons in heteronuclear bonds were completely transferred to the more electronegative atom. Oxidation numbers track electron movement in oxidation reduction reactions electron transfer reactions, helping identify which atoms are oxidized or reduced during chemical reactions.
Q2: How do you assign oxidation numbers to elements in their free state?
According to the first rule for assigning oxidation numbers, all free elements have an oxidation number of zero, regardless of whether they are monoatomic, diatomic, or polyatomic. This applies to elemental forms like O₂, S₈, or individual atoms before they form compounds.
Q3: What are the key differences between oxidation numbers in ionic and covalent compounds?
In ionic compounds, oxidation numbers are assigned based on the number of electrons transferred between reacting species. In covalent compounds, electrons are shared rather than transferred, so oxidation numbers are assigned hypothetically by assuming complete transfer to the more electronegative atom. Both allow identification of redox reactions.
Q4: Why is oxygen typically assigned an oxidation number of −2?
Oxygen has an oxidation number of −2 in most compounds because it is highly electronegative and typically gains two electrons when bonding. The exception is in peroxides, where oxygen has an oxidation number of −1 due to the O-O bond structure.
Q5: How can you determine if a reaction is a redox reaction using oxidation numbers?
A reaction is a redox reaction if the oxidation numbers of atoms change during the reaction. If oxidation numbers remain unchanged, it is not a redox reaction. For example, in the formation of SO₂, sulfur's oxidation number increases from zero to +4 while oxygen decreases from zero to −2, indicating electron transfer and confirming it as a redox reaction.
Q6: What is the relationship between oxidation numbers and the charge of polyatomic ions?
For polyatomic ions, the sum of oxidation numbers equals the charge on the ion. For neutral compounds, the sum of oxidation numbers equals zero. This rule helps determine unknown oxidation numbers when other atoms' oxidation states are known in complex compounds.
Q7: How does electronegativity influence the assignment of oxidation numbers in covalent bonds?
In covalent bonds, the more electronegative atom is assigned the electrons in the bond when calculating oxidation numbers. For example, in hydrogen chloride, chlorine is more electronegative, so it receives hydrogen's electron, giving chlorine an oxidation number of −1 and hydrogen +1, even though the bond is covalent.