Stopnie utlenienia w związkach organicznych

Potrafimy już przypisać stopnie utlenienia w związkach nieorganicznych, z uwzględnieniem kationów i anionów. Jeśli jeszcze tego nie potrafisz, to warto właśnie tam skierować swoje pierwsze kroki :

  1. Jak rozpoznać reakcje redoks, czyli stopnie utlenienia
  2. Przypisywanie stopni utlenienia – ćwiczenia

Jeśli jesteś dopiero w pierwszej klasie i nie przerabiacie jednocześnie związków organicznych (jest to sytuacja najbardziej prawdopodobna), to spokojnie możesz ominąć ten wpis!

Teraz czas na stopnie utlenienia w związkach organicznych.

1. Od −IV do +IV czyli cała plejada stopni utlenienia węgla.

Węgiel i jego bogactwo różnych stopni utlenienia.

Węgiel charakteryzuje się bardzo szerokim zakresem stopni utlenienia. Oto kilka przykładów, które to obrazuje :

2. Każdy węgiel zaznaczamy w kółko i obliczamy osobno

W związkach organicznych każdy węgiel traktujemy osobno. Rysunek mówi więcej niż tysiąc słów, zatem popatrzmy. Poniżej mamy kilka związków, w których musimy ustalić stopień utlenienia każdego z atomów węgla :

Przypisz stopnie utlenienia dla atomów węgla. Pamiętaj, że rozrysowanie wszystkich wiązań często znacznie ułatwia życie!

Tak przedstawione wzory na razie mało nam mówią. Przerysujmy te cząsteczki nieco dokładniej − nie przejmuj się czy jest to brzydko czy ładnie, nie musisz też zwracać uwagę na prawidłową budowę cząsteczki.

Zawsze przerysuj cząsteczki ,,ładnie” jeśli jeszcze nie jesteś obyty w chemii organicznej.

Każdy z tych związków organicznych jest obojętny (ma ładunek równy zero, inaczej mówiąc, nie jest to kation czy anion), zatem każda ,,grupa węglowa” też ma ładunek zerowy :

Otaczamy każdą grupę węglową ,,w kółko”. Zaznaczamy zatem węgiel oraz wszystkie jego podstawniki oprócz innych atomów węgla. Każda taka zaznaczona jednostka węglowa ma ładunek zero.

My już wiemy, że tlen ma stopień utlenienia −II, natomiast wodór +I. Dla nich przypisywanie stopni utlenienia jest łatwe, pozostaje tylko węgiel. Zatem skoro np. w grupie CH3 są trzy wodory, każdy ma +I, to potrzebujemy łącznie −III od węgla, aby całość wynosiła zero.

Jak pewnie już widzisz, rozrysowywanie całych cząsteczek jest czasochłonne. Można to oczywiście zrobić szybciej i nie rysować wszystkich wiązań.

Najszybszy, najbardziej praktyczny sposób zapisu do ustalania stopni utlenienia.

3. Tylko musisz dobrze zakreślać kółka − to ma znaczenie!

Prawda jest taka, że stopnie utlenienia w związkach organicznych to kompletna abstrakcja i coś, co jest zwyczajnie nieużyteczne. Kiedy spojrzycie do podręczników z chemii organicznej (tych prawdziwych, a nie szkolnych), to nie będzie tam takich zadań jak na maturze, gdzie te stopnie utlenienia należy ustalić. Jak już dobrze wiesz, potwierdza się to z ideą matury, która ma być pozbawiona jakiegokolwiek sensu i przydatności.

Zauważ, że jeden przykład ominęliśmy. Dla związku pokazanego poniżej z wiązaniem podwójnym, mamy problem z atomem tlenu − czy mam go zakreślić razem ze środkowym atomem węgla czy tym z prawej strony?

Która wersja jest poprawna? Odpowiedź brzmi : nie wiem. Ale nie dlatego, że nie wiem, tylko dlatego że gówno mnie to interesuje.

Tego typu niejednoznacznych przykładów na maturze nie powinno być. Ale dlaczego stopnie utlenienia w związkach organicznych nie mają znaczenia[1]?

4. Prosty trik na związki organiczne z azotem

Nie samym węglem, wodorem i tlenem człowiek żyje – musimy jeszcze nauczyć radzić sobie z przypisywaniem stopnia utlenienia dla azotu.

Rozetnij wiązanie pomiędzy węglem i azotem, albo inaczej : zamień węgiel na atom wodoru[2].

Jak ocenić stopień utlenienia azotu w związkach organicznych?

Oczywiście wodór ma stopień utlenienia +I, a zatem aby całość (NH3) wyszło na zero, to azot musi mieć stopień utlenienia −III.

Typową reakcją jako spotkamy ze związkami azotu jest redukcja nitrobenzenu do aminobenzenu. Obliczymy teraz stopnie utlenienia, aby faktycznie potwierdzić, że nastąpiła reakcja redukcji, czyli zmniejszenie stopnia utlenienia.

Wiemy już jak postępować. Zamieniamy węgiel na atom wodoru, a z wodorem i tlenem postępujemy klasycznie : mają one stopnie utlenienia +I (wodór) oraz (−II) tlen. Zatem azot zredukował się z +III stopnia na −III.

Klasyczna reakcja redukcji nitrobenzenu do aniliny (aminobenzenu)

5. Jeszcze inne spojrzenie na organiczne reakcje redoks

Ta część jest skierowana do osób, które przerabiały już chemię organiczną. Natknęliście się na pewno na reakcje utlenienia alkoholi, które można by utlenić do aldehydów, a te z kolei można utlenić do kwasów karboksylowych.

Może też pamiętasz, że aby otrzymać aldehyd, wystarczyło użyć tak zwanego łagodnego utleniacza (np. tlenek miedzi CuO), a z kolei syntezowanie kwasu wymagało użycia mocniejszego utleniacza (jak chociażby nadmanganianu potasu KMnO4 czy dichromianu sodu Na2Cr2O7). Jak widzisz, jest to logiczne, ponieważ stopień utlenienia węgla w kwasie karboksylowym jest wyższy niż w aldehydzie, zatem faktycznie bardziej musimy się postarać, aby taki kwas otrzymać i dlatego też musimy uderzyć z grubej rury i użyć mocnego utleniacza.

Słabe i mocne utleniacze w chemii organicznej

Wnikliwy obserwator (czy to byłeś Ty?) może także zauważyć wspólny mianownik dla organicznych reakcji redoks. Otóż gdy utleniamy związek to zawsze zabieramy atomy wodoru lub dodajemy atomy tlenu. Analogicznie, jeśli redukujemy związek to dodajemy atomy wodoru lub zabieramy atomy tlenu. I w taki sposób można szybko ocenić czy mamy do czynienia z reakcją redoks w chemii organicznej!

W chemii organicznej utlenianie to zabieranie atomów wodoru i dodawanie atomów tlenu

I analogiczny schemat dla procesu przeciwnego, czyli redukcji :

W chemii organicznej redukcja to zabieranie atomów tlenu i dodawanie atomów wodoru

Wracając do reakcji przekształcania nitrobenzenu w aminobenzen faktycznie szybko ustalamy, że azot ulega redukcji (zabieramy tleny / dodajemy wodory).

Inne spojrzenie na reakcje redoks w chemii organicznej

6. Stopnie utlenienia w związkach organicznych − ćwiczenia

Oczywiście najlepiej uczymy się podczas rozwiązywania zadań, dlatego też przygotowałem obszerną tabelkę w wersji pdf, aby można było to poćwiczyć. Wystarczy podać swój adres e−mail.

7. Temat dodatkowy − średni stopień utlenienia

Na maturze pojawiają się także pytania, aby zaklasyfikować daną reakcję organiczną jako redoks. Dlatego chciałem też szybko opisać metodę, która pozwala szybko to ocenić. My już i tak potrafimy to ocenić i z tego powodu jest to temat dodatkowy, dla chętnych.

W tym celu będziemy obliczać tak zwany średni stopień utlenienia. Oczywiście, tak jak klasyczny stopień utlenienia on również ,,nie istnieje” i nie ma sensu fizycznego, ale może być dla nas użyteczny. Liczy się go na podstawie wzoru sumarycznego cząsteczki i tylko dla atomów węgla.

Weźmy zatem ponownie nasz przykład redukcji nitrobenzenu do aminobenzenu. Wystarczy zapisać ich wzory sumaryczne i skorzystać z klasyki : tutaj będziemy przyjmować, że stopnie utlenienia dla wodoru, tlenu i azotu zawsze wynoszą odpowiednio :

AtomWodór (H)Tlen (O)Azot (N)
Stopień utlenienia+ I−II−III
Klasyczne stopnie utlenienia.

Dla nitrobenzenu wzór to C7H7NO2 , czyli średni stopień utlenienia dla węgla wynosi : 7x + 7 • 1 + (−3) • 1 + 2 • (−2) = 0 , czyli x = 0

Powyższe równanie to nic innego jak : średni stopień utlenienia węgla + 7 • stopień utlenienia wodoru + średni stopień utlenienia azotu + 2 • stopień utlenienia tlenu, a całość równa się zero.

Dla aminobenzenu wzór to C7H7NH2 = C7H9N , a więc średni stopień utlenienia węgla :

7x + 9 • 1 + (−3) • 1 = 0 , czyli x = − 6/7

Widzimy zatem, że stopień utlenienia się zmniejszył, więc jest to rzeczywiście reakcja redukcji.


[1] Spokojnie, na maturze są tylko proste, klasyczne i przede wszystkim jednoznaczne przykłady, więc to tutaj potraktuj jako ciekawostkę. Przypomnijmy sobie jedną podstawową kwestię − czy stopnie utlenienia ,,istniały” ? To znaczy czy one miały znaczenie fizyczne?

Nie! Stopnie utlenienia są fikcyjnym tworem, narzędziem stworzonym m.in do tego, aby zbilansować reakcję redoks (chociaż potrafimy to zrobić nawet bez ich użycia, zatem jesteśmy jeszcze sprytniejsi). W takim razie ustalanie stopni utlenienia to nic innego jak podążanie za zestawem reguł, które w chemii organicznej przybierają absurdalne rozmiary.

W końcu musimy ,,nauczyć sobie radzić” ze związkami zawierającymi azot, tlen, siarkę, bor i naprawdę wiele innych pierwiastków. Dochodzą wiązania podwójne, potrójne, związki cykliczne, spirocykliczne i wiele innych. Po co mam się uczyć zestawu reguł na pamięć, skoro uniwersalna metoda bilansowania redoksów ich nie wymaga? I właśnie dlatego gówno mnie te stopnie utlenienia w związkach organicznych interesują.

[2] W przypadku jeśli mamy wiązanie pomiędzy węglem i azotem (CーN), to porównując różnicę elektroujemności widzimy, że to węgiel będzie ,,dodatni” (mniejsza elektroujemność), natomiast azot będzie ,,ujemny” (większa elektroujemność). Dlatego też zamieniamy węgiel na atom wodoru, ponieważ atom wodoru (tak jak węgiel), będzie miał mniejszą elektroujemność niż azot.

Leave a Reply

%d bloggers like this: