4.11
Liczby utleniania
W reakcjach redoks następuje transfer elektronów pomiędzy reagującymi cząsteczkami. Transfer elektronów opisuje hipotetyczna liczba zwana stopniem utl…
Reakcje redoks między metalami i niemetalami zazwyczaj obejmują całkowite przeniesienie elektronów w celu wytworzenia związków jonowych, dlatego są łatwe do zidentyfikowania. Jednak reakcje redoks obejmujące tylko niemetale z częściowym przeniesieniem elektronów nie są tak łatwe do zidentyfikowania.
Reakcje redoks charakteryzują się zmianami stopni utlenienia atomów, co wskazuje na ruch elektronów między atomami.
Stopień utlenienia lub stopień utlenienia atomu w związku to ładunek, jaki miałby, gdyby wspólne elektrony w każdym wiązaniu heterojądrowym zostały całkowicie przeniesione do bardziej elektroujemnego atomu. Wiązania homojądrowe są podzielone równo.
Na przykład w gazowym chlorowodorze chlor jest bardziej elektroujemny. Jeśli elektron wodoru zostanie całkowicie przeniesiony do chloru, chlor otrzymuje ładunek 1−, odpowiadający stopniowi utlenienia −1, a wodór otrzymuje ładunek 1+, odpowiadający stopniowi utlenienia +1.
Stopnie utlenienia można przypisać atomom w postaci pierwiastkowej oraz większości jonów i związków przy użyciu określonych reguł. Zawsze przestrzegane są pierwsze trzy zasady. Pozostałe reguły są stosowane jedna po drugiej, aż zostaną spełnione pierwsze trzy reguły.
Reguły te zostaną teraz zastosowane do określenia, czy reakcje tworzenia dwutlenku siarki i węglanu wapnia są reakcjami redoks.
Zgodnie z regułą nr 1, pierwiastki w stanie wolnym mają stopień utlenienia równy zero, więc siarka elementarna i tlen mają przypisaną liczbę utlenienia zero.
Zgodnie z regułą nr 3 suma stopni utlenienia w związku obojętnym wynosi zero, więc stopnie utlenienia siarki i tlenu w SO2 muszą sumować się do zera.
Zgodnie z regułą nr 6 stopień utlenienia każdego tlenu wynosi −2 w SO2. Dwa atomy tlenu sumują się do -4. Stopień utlenienia siarki wynosi zatem +4.
Stopień utlenienia siarki wzrasta od zera do +4, więc ulega utlenieniu, podczas gdy stopień utlenienia tlenu spada od zera do -2, więc ulega zmniejszeniu. Jest to więc reakcja redoks.
W przypadku węglanu wapnia stopień utlenienia tlenu wynosi −2 we wszystkich trzech związkach, a wapń wynosi +2 w tlenku wapnia i węglanie wapnia. Zgodnie z zasadą 3 węgiel musi wynosić +4 w dwutlenku węgla i węglanie wapnia.
Ponieważ podczas reakcji nie zachodzi zmiana stopnia utlenienia atomów, nie jest to reakcja redoks.
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.