Każdy, kto w miarę wnikliwie analizował budowę cząsteczek
advertisement
Każdy, kto w miarę wnikliwie analizował budowę cząsteczek chemicznych, musiał zauważyć, że szczególnie wśród związków nieorganicznych występują cząsteczki zbudowane z tych samych elementów (atomów), ale o różnym stosunku ilości atomów. Na przykład mamy FeCl 2 i FeCl3, SnCl2 i SnCl4, CO i CO2, SO2 i SO3, N2O3 i N2O5 itd. itp. By móc opisać to zjawisko wprowadzono pojęcie wartościowości. Wartościowość danego pierwiastka w danym związku określa ilość wiązań chemicznych, którymi ten atom powiązany jest z innymi atomami tworzącymi cząsteczkę. Jeśli atom żelaza w FeCl 2 wiąże się dwoma wiązaniami z dwoma atomami chloru, to mówimy, że jest dwuwartościowy. Każdy atom chloru w tym związku jest jednowartościowy, łączy się bowiem z atomem żelaza jednym wiązaniem. Atom żelaza w FeCl 3 jest trójwartościowy (łączy się z trzema atomami chloru trzema wiązaniami) natomiast atomy chloru nadal są jednowartościowe. Wartościowość może odnosić się nie tylko do pojedynczych atomów, ale również do jonów czy grup chemicznych. Na przykład w Ca(OH) 2, który jest związkiem jonowym złożonym z jonu Ca2+ i dwóch jonów hydroksylowych OH–, jon wapnia jest dwuwartościowy a jon OH– jednowartościowy (jako całość). W skład jonu hydroksylowego wchodzi dwuwartościowy atom tlenu, którego jedną wartościowość „angażuje” atom wodoru, natomiast drugie wiązanie służy do połączenia z jonem wapnia – jon hydroksylowy jako całość jest więc jednowartościowy. Ponieważ jednak pojęcie wartościowości w miarę coraz lepszego poznawania budowy materii i charakteru wiązań chemicznych stawało się mało precyzyjne, wprowadzono pojęcie stopnia utlenienia. Stopień utlenienia pełni podobną funkcję co niegdyś wartościowość, ale lepiej współgra z dzisiejszym poziomem wiedzy chemicznej. W posługiwaniu się wartościowością w pierwszym etapie poznawania chemii nie ma niczego niewłaściwego (i zapewne jest to nawet nieco łatwiejsze niż używanie stopnia utlenienia), ale lepiej z niego zrezygnować najszybciej jak to będzie możliwe. Trzeba od razu na początku jasno powiedzieć, że przyjęte dla potrzeb definicji założenie, że wszelkie wiązania spolaryzowane w cząsteczce (jonie) są tożsame z jonowymi, jest w bardzo dużym stopniu niezgodne z rzeczywistością, ale paradoksalnie, to nieprawdziwe założenie pozwala skutecznie przewidywać i prawidłowo opisywać większość reakcji chemicznych. Jeśli przyjmiemy, że wszystkie wiązania między atomami w cząsteczce są wiązaniami jonowymi (oprócz wiązań między atomami tego samego pierwiastka, które uznajemy za atomowe, niespolaryzowane i w obliczeniach stopnia utlenienia nie uwzględniamy), to przez stopień utlenienia danego atomu będziemy rozumieć ilość elektronów przez niego oddanych (dodatni stopień utlenienia) bądź pobranych (ujemny stopień utlenienia) w trakcie tworzenia wiązań z otaczającymi go atomami. Żeby uniknąć błędów w obliczeniach, przyjęto pewne wzorce stopnia utlenienia, wynikające z wartości ich elektroujemności oraz konfiguracji elektronowej powłoki walencyjnej: • dla atomu fluoru stopień utlenienia wynosi zawsze -I; • dla metali grupy 1. stopień utlenienia wynosi zawsze +I; • dla metali grupy 2. stopień utlenienia wynosi zawsze +II; • dla wodoru stopień utlenienia to +I, z wyjątkiem połączeń z metalami grupy 1. lub 2., (tzw. wodorki) gdzie przyjmujemy dla wodoru -I; • dla atomu tlenu przyjmujemy zawsze -II, chyba że mamy do czynienia z budową nadtlenkową –O–O– , wówczas takie atomy tlenu mają stopień utlenienia -I; Wyznaczanie stopnia utlenienia poszczególnych atomów w cząsteczce najprościej pokazać na przykładzie: Atom węgla nr 1 jest mniej elektroujemny od siarki i chloru, oddaje więc im po jednym elektronie (w sumie 2e-); łączy się z 1 atomem wodoru, który z definicji ma stopień utlenienia +I, więc pobiera od niego elektron; z atomem węgla 2. nie wymienia elektronów; w sumie atom węgla 1. oddaje 2e- a pobiera jeden, czyli de facto oddaje jeden elektron (-2e-+ e-= -e-) i jest na +I stopniu utlenienia; Atom węgla nr 2 +I jest mniej elektroujemny od azotu, oddaje więc mu 1e-; łączy się z 1 atomem wodoru, który z definicji ma stopień utlenienia +I, więc pobiera od niego elektron; z atomami węgla 1. i 3. nie wymienia elektronów; w sumie atom węgla 2. oddaje 1e- i pobiera 1e-, jest więc na 0 stopniu utlenienia; Atom węgla nr 3 0 tworzy trzy wiązania z tlenem, oddaje więc im 3e-; z atomem węgla 2. nie wymienia elektronów; w sumie atom węgla 3. oddaje 3e- jest więc na +III stopniu utlenienia; +III Atom siarki grupa –S–H jest pochodna od siarkowodoru H–S–H, wodór z definicji +I, to siarka -II; -II Atom azotu grupa aminowa –NH2 to pochodna amoniaku NH3, atom azotu łącząc się w tym przypadku z trzema atomami wodoru o stopniu utlenienia +I (z definicji) ma stopień utlenienia -III; -III Atom chloru atom chloru tworzy z wodorem chlorowodór H–Cl, wodór z definicji +I, a to oznacza, że chlor -I; -I Atomy wodoru 6 atomów wodoru o +I stopniu utlenienia (z definicji) +VI Atomy tlenu 2 atomy o -II stopniu utlenienia (z definicji) -IV Suma = 0 Z samej definicji stopnia utlenienia wynika, że suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce wynosi 0, a w przypadku jonów suma ta ma wartość ładunku danego jonu. Zdecydowana większość reakcji chemicznych, zarówno organicznych, jak i nieorganicznych, przebiega ze zmianą stopnia utlenienia co najmniej jednego atomu w każdej z reagujących cząsteczek. Takie reakcje zaliczamy do reakcji redoksowych, krótko zwanych redoksami. Proces zmniejszania stopnia utlenienia nazywamy redukcją, zaś towarzyszący mu zawsze proces podwyższenia stopnia utlenienia innego atomu nazywamy oksydacją (utlenieniem, od łacińskiej nazwy tlenu – oxygenium bądź angielskiej oxygen). Reakcje redoksowe przebiegają w taki sposób, że sumaryczne obniżenie stopni utlenienia jednych atomów zawsze jest równe sumarycznemu wzrostowi innych. 2KII-I + Cl20 —> 2KICl-I + I20 W powyższej reakcji redoksowej dwa jony jodu przechodzą ze stopnia utlenienia -I na stopień utlenienia 0 (w postać pierwiastkową, wiązania między takimi samymi atomami), czyli ulegają utlenieniu. Jednocześnie dwa atomy chloru przechodzą ze stopnia utlenienia 0 (cząsteczka Cl 2) na stopień utlenienia -I, czyli ulegają redukcji do jonu chlorkowego. Stopień utlenienia potasu się nie zmienia. Sumaryczna zmiana stopnia utlenienia w procesie redukcji (Cl 20 —> 2Cl-I ; 2) równa się sumarycznej zmianie stopnia utlenienia w procesie utlenienia (2I-I —> I20 ; 2). 2H2 + O2 ——> 2H2O W reakcji spalania wodoru w tlenie z wytworzeniem wody, cztery atomy wodoru utleniają się od stopnia utlenienia 0 do +I, dwa zaś atomy tlenu redukują się od stopnia utlenienia 0 do stopnia utle nienia -II. Atomy (a w żargonowym ujęciu też substancja zawierająca te atomy), których redukcja umożliwia utlenienie innych atomów, nazywamy utleniaczami. Atomy (substancje), które utleniając się, powodują redukcję innych atomów (substancji), nazywamy reduktorami. Reduktory się utleniają (redukując inne atomy), utleniacze się redukują (utleniając inne atomy). W pierwszym przykładzie reduktorem jest jod a utleniaczem chlor; w drugim przykładzie utleniaczem jest tlen a reduktorem wodór. Szczególnie ważną rolę odgrywają reakcje typu redoks w tzw. elektrochemii, czyli w dziale, który zajmuje się szczegółowo powiązaniem reakcji chemicznych i zjawisk elektrycznych. Dzięki dobrej znajomości elektrochemii możemy budować wydajne źródła energii elektrycznej o chemicznym rodowodzie (ogniwa galwaniczne, akumulatory).
