W poprzednim poście zapoznaliśmy się z reakcjami redoks i zobaczyliśmy, że potrafią być one wredne, ponieważ bywają trudne do zbilansowania. Aby uzgodnić współczynniki potrzebujemy najpierw zapoznać się ze stopniami utlenienia. Zobacz też filmik z tego tematu :

1. Co to jest stopień utlenienia?

Wiemy już, że reakcje redoks wiążą się z wędrówką elektronów. Aby nie pogubić się w ,,księgowaniu” tych elektronów, chemicy wymyślili stopnie utlenienia. Słowo ,,wymyślili” jest tutaj akurat bardzo istotne, ponieważ stopnie utlenienia… nie istnieją^[1]!

Stopnie utlenienia nie mają sensu fizycznego (nie istnieją), ponieważ przy ich określaniu zakłada się, że dany związek rozpada się na pojedyncze kationy i aniony, coś na podobieństwo dysocjacji. Stopień utlenienia jest równy ładunkowi danego jonu, a zatem może być dodatni lub ujemny.

Załóżmy, że chcemy obliczyć stopnie utlenienia w następujących związkach : NaCl , CaO , H₂O , H₂SO₄. Jak to zrobić?

Aby ustalić stopnie utlenienia, wystarczy rozbić cząsteczkę na jony (to wszystko robimy ,,w brudnopisie” , nie zważając czy cząsteczka faktycznie może dysocjować czy też nie).

Jak ustalić stopnie utlenienia w związkach chemicznych ?

NaCl ⟶ Na⁺ + Cl^ー

Oczywiście kationem jest sód (jest on metalem), natomiast anionem jest chlor (jest on niemetalem). Stopień utlenienia sodu wynosi +I ^[2] (plus jeden), a chloru -I (minus jeden). Czyli prosta sprawa – stopień utlenienia wynosi tyle samo co ładunek jonu.

CaO ⟶ Ca²⁺ + O^2ー

Tlenki nie dysocjują, zatem traktujemy to tylko jako metodę do ustalania stopni utlenienia. Jak widzimy, tlen ma ładunek -II , a wapń +II. Jak to jest przedstawiane w szkołach? Oczywiście czysto bezmyślnie, czyli jako regułka – metale z drugiej grupy zawsze mają stopień utlenienia +II, a tlen ma zawsze -II. A wcale nie jest to coś, co należy znać na pamięć. Analogicznie będzie dla cząsteczki wody :

H₂O ⟶ 2H⁺ + O^2ー

Pamiętamy tylko o prawidłowym bilansie reakcji, czyli powstają dwa kationy wodoru. Jeśli cząsteczka jest bardziej rozbudowana, na przykład złożony z trzech pierwiastków kwas siarkowy to rozwalamy ją na trzy jony. Oczywiście taka ,,reakcja” jest absurdalna, ale nas to nie interesuje, ponieważ sam stopień utlenienia również jest absurdalny, gdyż… nie istnieje naprawdę.

H₂SO₄ ⟶ 2H⁺ + S⁶⁺ + 4O^2ー

Bardzo łatwo wówczas ustalić, że siarka musi mieć stopień utlenienia +VI, ponieważ cała cząsteczka H₂SO₄ jest obojętna (ma ładunek zero), a więc skoro mamy dwa plusy od wodorów oraz osiem minusów od tlenów, to potrzebujemy jeszcze sześciu plusów od siarki.

Weźmy teraz nadtlenek wodoru. Co się dzieje w książkach? Oczywiście trąbią : ,, to jest wyjątek, musicie to zapamiętać!”. Czy rzeczywiście?

H₂O₂ ⟶ 2H⁺ + 2O^ー

Tlen musi mieć tutaj stopień utlenienia minus jeden, ponieważ tylko wtedy plusy i minusy będą się zgadzać. Ot, cała filozofia.

2. Skąd wiadomo co będzie plusem, a co minusem ?

Czasem dostaniemy związek, z pierwiastkiem/pierwiastkami, których nie znamy albo sam związek wydaje się po prostu dziwny i nie jesteśmy pewni, co będzie plusem (kationem), a co minusem (anionem). Problem szybko się rozwiązuje – niezawodnym parametrem jest tutaj elektroujemność.

Elektroujemność jak pewnie już wiesz, to ,,miłość pierwiastka do elektronów” , a więc określa ona jak bardzo dany atom przyciąga do siebie elektrony. Jeśli natomiast przyciągamy (dodajemy) do siebie elektrony, to robi się tam jaki ładunek? Oczywiście minus. Zatem atom o większej elektroujemności będzie miał ładunek minus, czyli ujemny stopień utlenienia.

Zatem w związku SiH₄ , to wodór będzie miał ładunek -I, a krzem będzie miał ładunek +IV. Pisząc w brudnopisie wszystko widać jak na tacy : SiH₄ ⟶ Si⁴⁺ + 4Hー

Można do tego podejść jeszcze inaczej – przecież związki chemiczne zapisuje się w taki sposób, że po prawej stronie jest anion, a po lewej kation. Mamy przecież chlorek sodu NaCl, a nie sodek chloru ClNa. W takim razie skoro mamy związek SiH₄ to krzem będzie dodatni, a wodór ujemny. Ta metoda niesie jednak ze sobą ryzyko (zobacz niżej) i nie zawsze może się sprawdzić, a elektroujemność zawsze da radę!

A pamiętajmy, że na maturze tablica z elektroujemnością jest dostępna.

3. Amoniak to wredny ,,wyjątek”

Amoniak to wyjątek jeśli chodzi o stopnie utlenienia. Ale nie dlatego, że jest wyjątkiem od naszych logicznych reguł, tylko dlatego że jest tak starym związkiem i tak powszechnie znanym, że odkąd go zapisano jako NH₃, to tak już mu zostało. Uwzględniając elektroujemność i nasz sposób zapisywania związków chemicznych (kation-anion) powinniśmy go zapisywać jako H₃N. Czy powinniśmy napisać jakąś petycję?

Jest to zatem wyjątek ze względów historycznych tylko i wyłącznie. Pamiętaj – elektroujemność prawdę Ci powie. Dla azotu wynosi ona 3, a dla wodoru 2,1, czyli to azot będzie na minusie. Zatem rozpisując go mamy : NH₃ ⟶ N^3ー + 3H⁺

4. Fluorek tlenu wcale NIE JEST żadnym wyjątkiem

Jak zaczarowani wołamy za książkami : ,,Tlen ma zawsze ładunek ujemny, wyjątkiem jest połączenie tlenu i fluoru, czyli fluorek tlenu : OF₂ ^„ .

W jaki sposób jest to wyjątek? Szybki rzut oka na elektroujemność i okazuje się, że fluor będzie miał ładunek ujemny, a tlen dodatni. Rozpisujemy : OF₂ ⟶ O²⁺ + 2F^ー

Tak, tlen ma tutaj ładunek +II i tyle.

5. To nie jest miejsce na klepanie regułek

Uczenie się chemii w formie takich właśnie regułek : metale z I grupy mają stopień utlenienia + I, czy tlen ma zawsze −II, chyba że w nadtlenkach czy kurw… innych ponadtlenkach… sprawia, że maturalna chemia jest po prostu cóż… obrzydliwym przedmiotem, który można by stawiać na równi z biologią – czyli ,,nauczmy się na pamięć”. To jest niedopuszczalne w przypadku przedmiotu ścisłego, jakim jest chemia.

---

^[1] Dlatego jeśli chcemy być poprawni czy też może poczuć zakazaną przyjemność w poprawianiu nauczycieli w szkole, to należałoby zwrócić uwagę, że stopnie utlenienia się ,,przypisuje” , a nie oblicza.

^[2] Typowo stopnie utlenienia przedstawia się za pomocą cyfr rzymskich.