Stopień utlenienia

Stopień utlenienia to pojęcie proste a jednocześnie często w chemii spotykane. Pozwala nam pośrednio na konstruowanie struktury przestrzennej cząsteczek (wiemy ile wiązań utworzy dany atom), możemy dzięki niemu stwierdzić czy substancja będzie miała własności utleniające lub redukujące.

Stopień utlenienia zapisujemy cyframi arabskimi nad symbolem pierwiastka.  

Co to jest stopień utlenienia?

Naprościej mówiąc – jest to ładunek, jaki miałby atom, gdyby był jonem.

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.

Ten sam pierwiastek, w różnych związkach może przyjmować różne stopnie utlenienia. Np: siarka w związkach chemicznych może wystąpić na: -II (przyjmuje 2 elektrony), II (oddaje 2 elektrony), IV (oddaje 4) i VI stopniu (oddaje 6  elektronów walencyjnych).

Niektóre pierwiastki występują tylko na jednym stopniu w związkach, np cynk – zawsze na II.

Ilość stopni utlenienia danego pierwiastka, oraz ich trwałość możemy określić na podstawie budowy elektronowej.

Jak określić stopień utlenienia?

I tu pojawia się nam kilka prostych reguł do zapamiętania:

  1. Wszystkie pierwiastki w stanie wolnym mają stopień utlenienia równy „0” Mówiąc prosto – każdy pierwiastek ma zawsze zero,
  2. stopnień utlenienia pierwiastka w postaci jonu prostego równy jest ładunkowi tego jonu.Jony proste składają się z jednego atomu (posiadającego ładunek). Stopnie utlenienia jonów prostych są takie same jak ich ładunki:
  3. suma stopni utlenienia wszystkich pierwiastków w cząsteczce wynosi 0 – jeśli dodamy do siebie stopnie utlenienia wszystkich atomów, powinno wyjść nam 0: np tlenek glinu: czyli III·2 + (-II)·3 = 6 – 6 = 0
  4. suma stopni utlenienia wszystkich atomów w jonie złożonym jest równa ładunkowi tego jonu: wodór ma I, fosfor V a tlen (-II)            2·I + V + 4·(-II) = 2+5-8 = -1 (ładunek całego jonu)
  5. fluor we wszystkich związkach występuje na -I
  6. tlen w tlenkach i innych związkach: na -II, WYJĄTKI: w nadtlenkach: -I i w ponadtlenkach na -1/2 (oraz na II występuje w fluorku tlenu: OF2)
  7. wodór w połączeniu z metalami: -I, w połączeniu z niemetalami: I
  8. metale mają zawsze dodatni stopień utlenienia

Przykłady:

Na jakim stopniu utlenienia jest siarka w podanych związkach?

Wiemy, że tlen występuje normalnie na -II a wodór w połączeniach z niemetalami (także w kwasach) na I.

W pierwszym wypadku suma st.u. wszystkich atomów powinna dać nam 0 (jest to cząsteczka obojętna). Zapisujemy prościutkie równanie (x – stopień utlenienia siarki):

2·I + x + 4·(-II) = 0

2 + x – 8 = 0

x – 6 = 0

x = 6

Siarka jest w tym związku na (VI) stopniu.

Oczywiście można to szybko policzyć w pamięci, ale kiedy w zadaniu proszą o wyliczenie stopnia – wtedy piszemy równanie. Jeśli proszą tylko o podanie – nie trzeba zapisywać działań.

W drugim wypadku suma wszystkich stopni ma nam dać -1 (ponieważ jest to ładunek całego jonu):

I + x + 3·(-II) = -1

1 + x – 6 = -1

x – 5 = -1

x = 4

Siarka w tym związku jest na IV stopniu.

Szczególne przypadki

tiosiarczan sodu, Na2S2O3

Jest to sól pochodząca od słabego i nietrwałego kwasu tiosiarkowego. Kwas tiosarkowy jest z kolei pochodną kwasu siarkowego (VI).

Jeden atom tlenu w kwasie siarkowym został zastąpiony atomem siarki – i tak powstaje kwas tiosiarkowy.

 

Dlatego jeden atom siarki (ten centralny) wciąż jest na VI stopniu, natomiast drugi – ten, który zastępuje tlen – przyjmuje taki stopień, jaki miał atom tlenu, czyli -II.

Taka budowa kwasu tiosiarkowego powoduje, że cząsteczka jest niestabilna. Dwa atomy siarki tworzą ze sobą wiązanie o charakterze zbliżonym do kowalencyjnego, natomiast wiązanie siarki z tlenem było bardziej spolaryzowane. Ładunek jest teraz inaczej rozmieszczony.

Z uwagi na obecność drugiego atomu S zamiast O kwas ten jest nietrwały i jeśli otrzymamy go w formie cząsteczkowej (np. w reakcji tiosiarczanu z mocnym kwasem) ulega on rozkładowi do wolnej siarki (opalizujące, żółte zmętnienie) oraz So2 (charakterystyczny zapach):

H2S2O3 → S +  SO2↑ + H2O

Tiosiarczany są dobrymi reduktorami, używa się ich m.in. do wykrywana związków o charakterze utleniaczy.

Fe3O4

Ten związek to mieszanina dwóch tlenków: FeO·Fe2O3. Dlatego jeden atom żelaza jest na II stopniu, zaś dwa pozostałe na III.

Możemy także wyznaczyć stopień utlenienia ze wzoru sumarycznego – wówczas żelazo otrzymujemy na 8/3. (Czasami zdarzają się związki, w których stopień utlenienia jest ułamkiem – np w ponadtlenkach tlen jest na -1/2)

Pb3O4 – minia

I tym razem jest to mieszanina tlenków: 2PbO·PbO2. A więc jeden atom ołowiu jest na IV stopniu, a dwa pozostałe na II.