Jak wyznaczyć stopień utlenienia na podstawie wzoru strukturalnego? – JR

Jak wyznaczyć stopień utlenienia na podstawie wzoru strukturalnego?

Jak wyznaczyć stopień utlenienia na podstawie wzoru strukturalnego?

Trochę zapuściłam tą stronę, przyznam szczerze że dawno nie miałam okazji niczego dopisać. Na szczęście w jednym z artykułów (Stopień utlenienia, 8.11.2009) pojawiło się pytanie:

Jak można wyznaczyc stopień utlenienia na podstawie wzoru strukturalnego ? Jak np. w podanym przykładzie z tiosiarczkiem  [TIOSIARCZANEM – komment by Asia] ? Skąd wiem że siarka jest na VI, tlen na -II. Niby jest wytłumaczone, „Wyobraź sobie, że atom oddał (lub przyjął) wszystkie elektrony walencyjne, których użył do tworzenia wiązania.

Sprawdzamy ile elektronów oddał bądź przyjął – i w ten sposób wiemy na jakim stopniu utlenienia występuje dany pierwiastek.” ale nie za bardzo rozumiem. :/

Zamieszczam więc odpowiedź dla każdego zainteresowanego tym tematem. Jeśli sam/a masz wątpliwości lub pytanie – zadawaj je śmiało! Dzięki temu skorzysta wiele osób:-).

Na początku ważna informacja, do której wrócimy na koniec: stopień utlenienia (z definicji) to ładunek jaki miałby atom, gdyby był jonem. Teraz zostawiamy gdybanie (chwilowo zapomnij o tej definicji) i zacznijmy od początku:-).

Każda cząsteczka jaką możesz spotkać, powstała w wyniku połączenia się ze sobą atomów. Wiązania pomiędzy atomami, jak oczywiście wiesz, tworzą elektrony.
Dokładniej – każde wiązanie to para elektronów. Mogą one pochodzić od obu atomów (po jednym od każdego – wiązanie atomowe, spolaryzowane, lub jonowe) lub też jeden atom może dać do wiązania 2 elektrony, zaś drugi tylko z tego korzysta, sam nic nie dając (wiązanie koordynacyjne).
Niezależnie od tego, jakie to wiązanie, zawsze tworzą je elektrony i to nas interesuje:-)
Każdy atom ma swoją „siłę” przyciągania do siebie elektronów – weź teraz tablicę z podanymi wartościami elektroujemności wg skali Paulinga (najczęściej jej używamy).
Im wyższa wartość elektroujemności, tym silniej dany atom przyciąga elektrony. Dla przykładu najbardziej elektroujemny jest fluor (4,0).
Z pewnością pamiętasz, że jeśli łączą się ze sobą atomy tego samego pierwiastka, to powstaje wiązanie kowalencyjne (atomowe). Oba atomy z taką samą siłą przyciągają elektrony tworzące wiązanie.
Wiązanie spolaryzowane mamy wtedy, kiedy łączące się atomy różnią się elektroujemnością w zakresie od 0,4 do 1,7. (elektrony są przesunięte w stronę „silniejszego” atomu i powstaje cząsteczka polarna).
Jeśli różnica pomiędzy elektroujemnościami atomów jest większa niż 1,7 – mówimy że wiązanie ma charakter jonowy. (tutaj silniejszy atom zabiera oba elektrony drugiemu i uzyskuje ładunek ujemny. Ten obrabowany ładuje się dodatnio i powstałe jony przyciągają się na zasadzie +-)
Jeśli chcesz policzyć stopień utlenienia ze wzoru strukturalnego zakładasz, że:
  • to jest właśnie ten moment, kedy warto przypomnieć sobie defnicję stopnia utlenienia 😉
  • każde wiązanie pomiędzy atomami różniącymi się elektroujemnością (nawet minimalnie) traktujemy jako jonowe (silniejszy atom bierze wszystkie elektrony z wiązania, drugi nie dostaje nic).
  • jeśli oba atomy mają taką samą elektroujemność – wtedy dzielą się pół na pół – każdy otrzymuje po jednym elektronie z wiązania (albo po dwa, jeśli wiązanie jest podwójne, itp).
Np. w cząsteczce HClO
      _      _
H – O – Cl |
      ¯      ¯
(wzór na podstawie ktorego określamy stopnie utlenienia musi zawierać także wolne pary elektronowe!)
Mamy takie oto elektroujemności dla atomów:
H     2,1
O     3,5
Cl     3,0
Z tego wynika, że:
  1. tlen zabiera 2 elektrony atomowi wodoru (tlen jest silniejszy od wodoru). W tej chwili wodór nie ma żadnego e.
  2. tlen zabiera 2 elektrony z wiązania z chlorem – chlor ma teraz 6 elektronów walencyjnych;
  3. tlen po zabraniu elektronow od H i Cl uzyskał w sumie 8 elektronów
Teraz porównujemy liczbą elektronów walencyjnych jaki każdy atom normalnie posiada, ze stanem po powyższych operacjach „przekazywania”:
  1. wodór w stanie „normalnym” ma 1 elektron walencyjny. Teraz nie ma żadnego – uzyskał ładunek +1 czyli jest na +I stopniu utlenienia (wg definicji 🙂
  2. chlor ma 7 elektronów walencyjnych. W tej chwili posiada ich 6. To oznacza, że uzyskał ładunek +1 (bo od dodatniego jądra zabraliśmy ujemny elektron – jest teraz nadmiar dodatnich ładunków w atomie, brakuje ujemnego). Chlor w tej cząsteczce jest na +I stopniu
  3. tlen ma 6 elektronów walenyjnych. Obecnie ma ich 8 (swoje 2 pary oraz 2 z wiązania od wodoru i 2 z wiązania z chlorem). Oznacza to że uzyskał ładunek -2 czyli jest na -II stopniu.
Jak widzisz, opis był długi a sama metoda jest dość prosta:-). Jej dużą zaletą jest to, że można z niej korzystać w przypadku bardzo złożonych związków organicznych.
Klucz do rozwązania tkwi w tym, aby mieć elektroujemności atomów i narysować dobrze cząsteczkę ze wszystkimi elektronami walencyjnymi.

A teraz, wracając do przykładu z tiosiarczanem:

Tiosiarczan jest zbudowany tak jak kwas siarkowy (VI). Jedyna różnica pomiędzy tymi cząsteczkami polega na tym, że w miejscu jednego z atomów tlenu z siarczanu (czy kwasu siarkowego (VI) znajduje się siarka. Zastępuje ona atom tlenu, i dzięki temu ma taki sam jak on ładunek.
W praktyce powstałe wiązanie S-S jest niespolaryzowane – to wyraźna różnica pomiędzy tymi dwoma związkami, która wywołuje niestabilność cząsteczki tiosarczanu.
Tutaj nie patrzymy na wiązanie S-S jako takie, gdzie elektrony są rozdzielane po połowie, ale patrzymy na to, jak wygląda wzór kwasu siarkowego (VI) i analogicznie dobieramy stopnie utlenienia.