4.11
Oxidatiegetallen
Bij redoxreacties vindt de overdracht van elektronen plaats tussen reagerende soorten. Elektronenoverdracht wordt beschreven door een hypothetisch get…
Redoxreacties tussen metalen en niet-metalen omvatten doorgaans een volledige overdracht van elektronen om ionische verbindingen te vormen;daarom zijn ze gemakkelijk te identificeren. Redoxreacties waarbij alleen niet-metalen betrokken zijn met een gedeeltelijke overdracht van elektronen, zijn echter niet zo gemakkelijk te identificeren. Redoxreacties worden gekenmerkt door veranderingen in de oxidatietoestanden van de atomen, wat duidt op elektronenbeweging tussen de atomen.
De oxidatietoestand, of het oxidatiegetal, van een atoom in een verbinding is de lading die het zou hebben als de gedeelde elektronen in elke heteronucleaire binding volledig waren overgebracht naar het meer elektronegatieve atoom. Homonucleaire bindingen zijn gelijk verdeeld. In gasvormig waterstofchloride is chloor bijvoorbeeld elektronegatiever.
Als het elektron van waterstof volledig wordt overgedragen naar chloor, krijgt chloor een lading van één minus, wat overeenkomt met de oxidatietoestand min één, en krijgt waterstof een lading van één plus, die overeenkomt met de oxidatietoestand plus één. Oxidatietoestanden kunnen worden toegewezen aan atomen in elementaire vorm en in de meeste ionen en verbindingen met behulp van specifieke regels. De eerste drie regels worden altijd gevolgd.
De overige regels worden één voor één toegepast totdat aan de eerste drie regels is voldaan. Deze regels zullen nu worden toegepast om te bepalen of de vormingsreacties van zwaveldioxide en calciumcarbonaat redoxreacties zijn. Volgens regel nummer 1 hebben elementen in de vrije toestand een oxidatiegetal van nul, dus elementaire zwavel en zuurstof krijgen beide het oxidatiegetal nul.
Volgens regel nummer 3 is de som van de oxidatiegetallen in een neutrale verbinding nul, dus de oxidatiegetallen van zwavel en zuurstof in SO_2 moeten opgeteld nul zijn. In overeenstemming met regel nummer 6 is het oxidatiegetal van elke zuurstof min twee in SO_2. Twee zuurstofatomen tellen op tot min vier.
Het oxidatiegetal van zwavel is daarom plus vier. Het oxidatiegetal van zwavel neemt toe van nul tot plus-vier, dus het wordt geoxideerd, terwijl het oxidatiegetal van zuurstof afneemt van nul tot min-twee, dus het wordt verminderd. Dit is dus een redoxreactie.
In het geval van calciumcarbonaat is het oxidatiegetal van zuurstof min twee in alle drie de verbindingen, en calcium plus twee in calciumoxide en calciumcarbonaat. Volgens regel 3 moet koolstof plus vier zijn in kooldioxide en calciumcarbonaat. Aangezien de oxidatiegetallen van de atomen tijdens de reactie niet veranderen, is dit geen redoxreactie.
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.