Nadtlenki i ponadtlenki

1. Nadtlenki

Nadtlenki to również związki, w których mamy połączenie pierwiastków z tlenem, jednak nie jest to już dwuwartościowy atom tlenu, który jest na stopniu utlenienia −II (jak to było w tlenkach) , czyli O2ー , ale anion złożony z dwóch atomów tlenu!

Jeśli chodzi o nadtlenki to musisz bardzo uważać na regułę krzyżową! Cała jednostka O22ー ma wartościowość II i reguła krzyżowa działa tutaj normalnie.

Odwiecznie pytanie w takiej sytuacji, to czy nie możemy po prostu skrócić takiego nadtlenku wodoru, a więc zamiast pisać H2O2 napisać HO ? Zaproponuję Ci dwa wytłumaczenia, jedno chemiczne, a drugie ,,analogiczne”.

Zaczniemy od analogii, bo pewnie na nią czekasz. Więc jeśli wyobrazisz sobie dwóch identycznych bliźniaków, którzy idą trzymając się za ręce (jest wiązanie między nimi!), to czy możesz powiedzieć, że idzie tylko jedna osoba, bo skoro obie są takie same, to możemy to ,,skrócić” do jednej osoby? No nie bardzo, oni też mają uczucia.

Chemiczne wyjaśnienie tkwi w strukturze anionu : jest to złożony z dwóch atomów anion, w których musi być obecne wiązanie nadtlenkowe, czyli pomiędzy jednym, a drugim atomem tlenu.

Czemu H2O2 nie możemy sobie skrócić do HO ?

Jeszcze kilka słów wyjaśnienia co do powyższego obrazka. Po pierwsze, dlaczego w tym OH po prawej stornie pojawił się jeden elektron w miejscu gdzie było wiązanie? Pomiędzy atomami tlenu jest wiązanie kowalencyjne (różnica elektroujemności wynosi zero), a to było nic innego jak dzielenie się elektronami. Dlatego też to wiązanie rozerwałem i rozdzieliłem elektrony po równo, czyli jeden elektron do jednego atomu tlenu.

Po drugie, to wciąż może Ci się wydawać dziwne, bo przecież istnieje coś takiego jako OH… tak, ale OH czyli anion wodorotlenowy, lub jak wolisz, hydroksylowy. I właśnie różnica tkwi w elektronach oraz tym, że w takim anionie tlen ma oktet, więc coś takiego będzie stabilne, a taka śmieszna cząsteczka jak OH już nie będzie istnieć, bo nie ma tego oktetu.

Wszystko jest kwestią podliczenia elektronów.

O tym, że liczenie elektronów podczas rysowania wzorów Lewisa (elektronowych) jest kluczowe, mówiliśmy wcześniej. W jonie hydroksylowym mamy 1 elektron od wodoru, sześć od tlenu oraz jeszcze jeden (bo ładunek minus), co łącznie daje osiem elektronów. Robimy jedno wiązanie HーO i zostaje jeszcze sześć, więc umieszczamy trzy wolne pary elektronowe na tlenie, przez co ma on oktet.

2. Ponadtlenki

W ponadtlenkach anionem jest O2, natomiast atom tlenu ma stopień utlenienia równy − ½ . Pamiętaj, że jeśli chodzi o stopnie utlenienia, to nie ma tutaj żadnych wyjątków, nie musisz się tego absolutnie uczyć na pamięć. Jeśli tego nie wiesz, to koniecznie przeczytaj artykuł o stopniach utlenienia.

Z ponadtlenkami znacznie rzadziej będziemy mieć do czynienia, jednak wszystko wygląda bardzo podobnie. Na przykład ponadtlenek potasu ma wzór KO2 , natomiast ponadtlenek baru ma ciekawy wzór Ba(O2)2 . Zwróć uwagę, że ciągle działa reguła krzyżowa, a teraz cały nasz anion ma po prostu wartościowość I, a bar ma II, dlatego są dwa aniony ponadtlenkowe w tym związku.

3. Nadtlenek wodoru

Nadtlenek wodoru to najważniejszy dla nas, pod maturalnym kątem, przedstawiciel nadtlenków.

Perhydrol to 30% roztwór nadtlenku wodoru H2O2 . Ma właściwości żrące − w kontakcie ze skórą pojawiają się na niej białe plamy. Roztwór 3% (tzw. woda utleniona) to środek używany do odkażania ran (ale już się od tego odchodzi). Sam nadtlenek wodoru to bladoniebieska (w grubszych warstwach) lepka ciecz. Rozpuszcza się w wodzie, wykazuje słabe właściwości kwasowe, zgodnie z reakcją : 

H2O2  +  H2O  ⇄  HO2  +  H3O+

Sam nadtlenek wodoru jest nietrwały ze względu na reakcję rozkładu na tlen i wodę. Reakcja ta jest wolna, jednak może przebiegać gwałtownie (wybuchowo) kiedy jest katalizowana i dlatego nie wolno H2O2 przechowywać w szklanych naczyniach, tylko w butelkach plastikowych z dodatkiem tak zwanego stabilizatora (np. mocznik).

H2O2 jest mocnym utleniaczem w środowisku kwaśnym, chociaż w środowisku zasadowym może zachowywać się jako reduktor, co bardzo dobrze obrazują poniższe przykłady reakcji : 

2Ce3+  +  H2O2  + 2H+    ⟶  2Ce4+  +  2H2

2Ce4+  +  H2O2  +  2OH    ⟶  2Ce3+  +  2H2O  +  O2

Właściwości utleniające H2O2 wynikają ze słabego wiązania O―O. Bardzo ważną z punktu widzenia biologicznego jest tak zwana reakcja Fentona z wytworzeniem rodnika hydroksylowego ( •OH ). Wytworzone rodniki mogą powodować mutację DNA (co w skrócie może prowadzić do rozwoju nowotworów). Dlatego też ważne są tak zwane ,,zmiatacze rodników” , które będę te rodniki eliminować (np. glutation). 

Fe2+  +  H2O2    ⟶  Fe3+  +  OH  +  •OH 

Nadtlenek wodoru ma strukturę tak zwanej otwartej książki (rysunek po prawej stronie). Wyobraź sobie, że ta książka jest otwarta prawie pod kątem prostym (90 °). Przedstawiono także wzór elektronowy, natomiast rysunek na środku jest próbą przedstawienia przestrzennego cząsteczki H2O2  z zastosowaniem klina oraz linii przerywanej. 

Wzór elektronowy cząsteczki wodoru.
Budowa przestrzenna cząsteczki nadtlenku wodoru (to już dodatkowa wiedza)

4. Podsumowanie : czym się różnią tlenki, nadtlenki i ponadatlenki ?

Tlenki  Nadtlenki Ponadtlenki 
Anionem jest O2ー  .
Atom tlenu ma st. utlenienia −II
Anionem jest O22ー   .
Atom tlenu ma st. utlenienia −I.
Nadtlenki zawierają wiązanie  O―O
Anionem jest O2   .
Atom tlenu ma st. utlenienia − ½ .
Na2O , MgO, Al2O3H2O2 , Na2O2KO2 , Ba(O2)2
Porównanie różnego rodzaju związków pierwiastków z tlenem

Leave a Reply

%d bloggers like this: