Czym się różni stopień utlenienia i wartościowość?

Zakładam, że zapoznałeś się już z pojęciem stopnia utlenienia, natomiast wartościowość to jedna z pierwszych definicji, które słyszymy na chemii – w końcu na jej podstawie ocenia się wzory chemiczne związków.

Zacznijmy od ustalenia tego, co już wiemy :

Stopień utlenienia jest jak ładunek hipotetycznego jonu, który powstał by z rozpadu związku chemicznego, jeśli założylibyśmy, że związek ten jest idealnie jonowy. A skoro jony mogą być dodatnie oraz ujemny, to stopnie utlenienia mogą być także dodatnie oraz ujemne!

Już mamy tutaj pierwszą różnicę, ponieważ wartościowość nie może być ujemna! Czym się zatem różni stopień utlenienia i wartościowość ?

1. Wartościowość określa ile wiązań może tworzyć dany pierwiastek [1]

Oryginalna definicja (fuj!) jest taka, że wartościowość to maksymalna liczba atomów wodoru, z jaką może połączyć się dany pierwiastek. Dlaczego akurat wodorów? Odpowiedź jest bardzo prosta : wodór przecież zawsze tworzy tylko jedno wiązanie, dlatego też liczba przyłączonych atomów wodoru do pierwiastka = liczba wiązań.

Wartościowość odczytujemy typowo z układu okresowego. Numer grupy (cyfra jedności) oznacza maksymalną wartościowość pierwiastka, jaką może przyjmować w związkach chemicznych.

No dobrze, to weźmy związki pierwiastków z drugiego okresu, które łączą się z wodorem. Od litu do boru mamy :

LiH , BeH2 , BH3

Wartościowości pierwiastków wynoszą po kolei : I , II, oraz III. Przy okazji ustalmy od razu stopnie utlenienia, otrzymując +I , +II, +III (jeśli masz z tym problem, to zerknij tutaj : Jak rozpoznać reakcje redoks, czyli stopnie utlenienia). Kolejne związki z wodorem to :

CH4 , NH3 , H2O , HF

I tutaj również bez niespodzianek bo wartościowości wynoszą odpowiednio : IV, III, II oraz I. Stopnie utlenienia robią nam się jednak ujemne i wynoszą : -IV, -III, -II oraz -I.

Jak widzisz, wartościowości są tylko dodatnie, a stopnie utlenienia mogą być ujemne i jak na razie możemy mieć wrażenie, że maksymalna wartościowość wynosi IV.

2. A co z wartościowością w jonach?

No właśnie! Bo skoro w amoniaku (NH3) wartościowość wynosi III, to w takim razie w jonie amonowym (NH4+) powinna wynosić IV, prawda? Niestety nie.

W rzeczywistości najlepszą definicją wartościowości jest :

Wartościowość – liczba elektronów, jaką atom używa do tworzenia wiązań chemicznych.

Definicja wartościowośći
Do ustalenia wartościowości najlepiej rozpisać wzory elektronowe (pokazać wiązania i wolne pary elektronowe)

Spróbujmy ustalić wartościowość dla pierwiastków zaznaczonych na niebiesko. Dla pierwszych trzech przykładów nie ma problemu – mamy odpowiednio IV, IV oraz III. Tak samo dla wody otrzymujemy wartościowość równą II. Tutaj akurat tak się składa, że liczba wiązań jest równa wartościowości, ale to tylko przypadek.

Jednak nasze dwa jony NH4+ oraz H3O+ mogą być mylące, bo tam wartościowość nie wynosi IV oraz III.

O co chodzi? Przypomnijmy sobie, co tak naprawdę dzieje się w wiązaniach (kowalencyjnych) na przykładzie cząsteczki wodoru :

Co się dzieje z elektronami w wiązaniach?

Można do wartościowości podejść w sposób matematyczny i opisać ją według wzoru :

Wartościowość = liczba elektronów walencyjnych (atomu w stanie podstawowym) – liczba elektronów niewiążących (czyli tych z wolnych par elektronowych)

I faktycznie dla cząsteczki amoniaku (NH3) mamy 5 elektronów walencyjnych dla azotu – 2 elektrony wiążące, co daje wartościowość równą 3. Aby zrozumieć wartościowość w jonie amonowym oraz oksoniowym należy prawidłowo rozpisać wzory elektronowe (z uwzględnieniem wiązań koordynacyjnych) :

Jaka jest wartościowość atomu centralnego w kationie amonu i jonie oksoniowym?

Jeśli w ten sposób narysujemy nasze jony to staje się jasne, że azot używa wszystkich swoich pięciu elektronów do utworzenia wiązań, więc jego wartościowość wynosi V, a tlen używa czterech swoich elektronów, zatem ma wartościowość równą IV.

Zobacz, że równie dobrze moglibyśmy to policzyć na wzorze :

➦ wartościowość (dla azotu) = 5 – 0 = 5

➦ wartościowość (dla tlenu) = 6 – 2 = 4

3. Czemu azot ma wartościowość równą pięć?

To jest naprawdę dobre pytanie – szacunek, że na nie wpadłeś! My już to wiemy z poprzedniego punktu. Wartościowość to nie jest zwyczajnie liczba wiązań (bo azot nigdy pięciu wiązań nie utworzy, bo wtedy przekroczyłby oktet elektronowy) i faktycznie jest możliwa wartościowość równa V dla azotu, co widzieliśmy w jonie NH4+.

4. Stopień utlenienia i wartościowość − porównanie

To brzmi jak niezły pomysł na pytanie do sprawdzianu, który zmiótł by całą klasę z planszy. Oby nauczyciele tego nie czytali!

Stopień utlenieniaWartościowość
Fikcyjny, nie ma
sensu fizycznego.
Przedstawia realną
właściwość cząsteczki.
Zakłada, że cząsteczka
rozpada się w całości na jony.
Ładunek jonu jest równy
stopniu utlenienia.
Określa liczbę elektronów,
jaką atom używa do
tworzenia wiązań chemicznych.
Może być dodatni lub ujemny.Może być tylko dodatnia.
Przydatny głównie w
bilansowaniu reakcji redoks.
Dostarcza dużo informacji o
strukturze i reaktywności związku.
Stopień utlenienia i wartościowość − porównanie

5. Czego lepiej używać – wartościowości czy stopni utlenienia?

Nie ma odpowiedzi na to pytanie, ponieważ obie rzeczy służą do czego innego.

Właściwie stopnie utlenienia najbardziej przydają się w reakcjach redoks i to tam faktycznie królują. Powinniśmy je traktować jako narzędzie do zbilansowania reakcji utlenienia i redukcji, które innymi sposobami byłyby faktycznie trudne do uzgodnienia.

Wartościowość natomiast dostarcza informacji o strukturze czy reaktywności cząsteczki. Jeśli na atomie znajdują się wolne pary elektronowe, to wpływa to na kształt związku chemicznego oraz także na jego chęć do łączenia się z innymi związkami.


[1] W rzeczywistości liczba wiązań jakie tworzy atom nazywamy liczbą koordynacyjną, której można przypisać skrót LK. Spotkaliśmy to już w związkach kompleksowych, typowo podczas reakcji glinu czy cynku z wodorotlenkiem sodu, gdzie powstały związki typu Na3[Al(OH)6] czy Na2[Zn(OH)4] .

Dla glinu LK = 6 , ponieważ tworzy on sześć wiązań do grup hydroksylowych (OH), natomiast dla cynku LK = 4.

Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wyznaczać LK dla innych atomów w dowolnych związkach. Przykładowo w amoniaku (NH3) mamy LK = 3 do azotu, czy w jonie amonowym (NH4+) mamy LK = 4 .

Ale żeby było jeszcze ciężej, sama liczba koordynacyjna nie ma jednej definicji, bo to też zależy w jakim kontekście (związki kompleksowe, chemia metaloorganiczna) jej używamy czy jaką konwencją się posługujemy.

Leave a Reply

%d bloggers like this: