4.11
Numeri di ossidazione
Nelle reazioni redox, il trasferimento di elettroni avviene tra specie reagenti. Il trasferimento di elettroni descritto da un numero ipotetico chiama…
Le reazioni redox fra metalli e non metalli, tipicamente, comportano un trasferimento completo di elettroni per formare composti ionici;dunque, sono facili da identificare. Tuttavia, le reazioni redox che coinvolgono solo non metalli con un trasferimento parziale di elettroni non sono così facilmente identificabili. Le reazioni redox sono caratterizzate da cambiamenti negli stati di ossidazione degli atomi, che indicano il movimento degli elettroni fra gli atomi.
Lo stato di ossidazione, o numero di ossidazione, di un atomo in un composto è la carica che avrebbe se gli elettroni condivisi in ciascun legame eteronucleare fossero completamente trasferiti all'atomo più elettronegativo. I legami omonucleari sono divisi equamente. Per esempio, nel cloruro di idrogeno gassoso, il cloro è più elettronegativo.
Se l'elettrone dell'idrogeno viene trasferito completamente al cloro, il cloro riceve una carica di uno meno, corrispondente allo stato di ossidazione meno uno, e l'idrogeno riceve una carica di uno più, corrispondente allo stato di ossidazione più uno. Gli stati di ossidazione possono essere assegnati agli atomi in forma elementare e nella maggior parte degli ioni e composti utilizzando regole specifiche. Le prime tre regole vengono sempre seguite.
Le restanti regole vengono applicate una per una fino a quando le prime tre regole non sono soddisfatte. Queste regole verranno ora applicate per identificare se le reazioni di formazione dell'anidride solforosa e del carbonato di calcio sono reazioni redox. Secondo la regola numero 1, gli elementi nello stato libero hanno un numero di ossidazione zero, quindi allo zolfo elementare e all'ossigeno viene assegnato il numero di ossidazione zero.
Secondo la regola numero 3, la somma dei numeri di ossidazione in un composto neutro è zero, quindi i numeri di ossidazione di zolfo e ossigeno in SO_2 devono sommarsi a zero. In conformità con la regola numero 6, il numero di ossidazione di ciascun ossigeno è meno due in SO_2. Due atomi di ossigeno si sommano a meno quattro.
Il numero di ossidazione dello zolfo è quindi più quattro. Il numero di ossidazione dello zolfo aumenta da zero a più quattro, quindi viene ossidato, mentre il numero di ossidazione dell'ossigeno diminuisce da zero a meno due, quindi viene ridotto. Quindi, questa è una reazione redox.
Nel caso del carbonato di calcio, il numero di ossidazione dell'ossigeno è meno due in tutti e tre i composti e il calcio è più due nell'ossido di calcio e nel carbonato di calcio. Secondo la regola 3, il carbonio deve essere più quattro in anidride carbonica e carbonato di calcio. Poiché non vi è alcun cambiamento nei numeri di ossidazione degli atomi durante la reazione, questa non è una reazione redox.
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.