Numărul de oxidare

Numărul de oxidare (nu) sau gradul de oxidare (do) ​​este numărul de sarcini electrice elementare reale sau fictive pe care le transportă un atom în cadrul unei specii chimice ( moleculă , radical sau ion ). Acest număr, care descrie starea de oxidare a atomului, caracterizează starea electronică a elementului chimic corespunzător luând în considerare sarcina reală (în cazul unui ion monoatomic ) sau fictivă (dacă acest element este combinat). Încărcarea fictivă se calculează, în cazul moleculelor, considerând că elementul:

• posedă toți electronii legăturilor chimice stabilite cu atomii mai puțin electronegativi decât el, ceea ce se traduce astfel pentru el printr-un câștig de electron (i);
• nu are niciunul dintre electronii legăturilor chimice stabilite cu atomi mai electronegativi decât acesta, ceea ce duce la pierderea electronilor.

Într-un corp simplu , un element este caracterizat printr-un număr de oxidare zero.

În cazul ionilor monoatomici, numărul de oxidare al ionului este valoarea sarcinii electrice purtate de acesta (exemplu: nu (Na + ) = + I).

În cadrul unei molecule, se aplică regula electronegativității explicată mai sus. De exemplu, în dioxidul de sulf SO 2 , oxigenul O este mai electronegativ decât sulful S. Deoarece sunt dublu legați, atomul de sulf S a pierdut fictiv doi electroni pentru fiecare legătură dublă S = O. Prin urmare, poartă în total o sarcină fictivă de +4 și are un număr de oxidare de + IV, pe de altă parte, fiecare oxigen a câștigat 2 electroni și, prin urmare, are un număr de oxidare de -II (numerele de oxidare sunt notate în mod convențional în cifre romane ) ; molecula SO 2 fiind neutră.

În realitate, cu excepția cazului în care diferența de electronegativitate între două elemente este foarte mare, legăturile sunt covalente și prezintă un caracter ionic parțial, ceea ce înseamnă că există un transfer parțial de sarcină între atomii legați. Dacă electronegativitatea celor doi atomi legați este aceeași (de exemplu, dacă atomii legați sunt același element), atunci legătura nu contribuie la calcularea nr.

Numărul de oxidare este un concept convenabil și util pentru studiul reacțiilor redox . Facilitează numărarea electronilor și ajută la verificarea conservării lor.

Definiție

Carbon izolat neutru prin definiție , au un număr de oxidare (Nr) zero. Dacă un atom dă (pierde) un electron , se spune că are un număr de oxidare egal cu unu ( nu = + I); dacă dă două, nu = + II  etc. În schimb, dacă un atom acceptă (primește) un electron, numărul său de oxidare devine unul negativ ( nu = –I); dacă acceptă două, nu = −II  etc.

Dacă atomul care a dat sau a acceptat unul sau mai mulți electroni rămâne izolat, el devine un ion a cărui sarcină este egală cu numărul său de oxidare. Dar , foarte adesea donatori de electroni și acceptori sunt legate prin acest schimb și constituie o neutru molecula sau un ion poliatomic , cum ar fi H 2 Osau NH+
4 ; atunci atomii nu sunt considerați încărcați individual. De exemplu, în molecula de apă , atomii de hidrogen au dat câte un electron atomului de oxigen (care își completează învelișul de valență ), dar rămân legați de oxigen, fiecare câte unul. Din cele două dublete astfel formate. Într-un fel, fiecare dintre aceste dublete „beneficiază” atât de atomul de oxigen, cât și de atomul de hidrogen.

Egal cu numărul de electroni pierduți sau câștigați, numărul de oxidare este în mod necesar un număr întreg. Cu toate acestea, unele numere pot duce la numere de oxidare fracționată. Acesta este apoi un număr mediu de oxidare, iar numărul atomului (sau ionului) trebuie detaliat. De exemplu, oxid de fier fier Fe 3 O 4poate fi luat în considerare luând în considerare faptul că cele trei fiare împreună au opt sarcini pozitive, deoarece fiecare oxigen este un ion O 2- . Prin urmare, fierul are, prin urmare, un număr de oxidare de 8/3. De fapt, două dintre cele trei fiare au un număr de oxidare (+ III) și 3 - lea  un număr de oxidare (+ II). În total: 2 × (+ III) + 1 × (+ II) = 8.

Evaluare

La speciile chimice neutre sau ionice, numerele de oxidare sunt notate cu cifre romane între paranteze, plasate imediat după elementul în cauză pentru a lua în considerare transferul parțial de electroni.

De exemplu, oxidul de fier (III) corespunde formulei Fe 2 O 3 , diferit de oxidul de fier (II) cu formula FeO.

La fel, ionul tetraoxomanganat (VII) corespunde manganului Mn (VII) și cu formula MnO 4 - , numită și permanganat .

Reguli care definesc numărul de oxidare

Reguli generale

• Într-o specie chimică heteropolyatomică (compusă din atomi de altă natură), atomul cu cea mai mare afinitate pentru electroni, adică cel mai electronegativ , este considerat a primi electroni. Exemplu: H 2 O corespunde 2 H (+ I) și 1 O (-II).
• La o specie chimică neutră (moleculă sau radical), suma n o a atomilor constituanți este zero. Pe de altă parte, dacă compusul este ionic, această sumă este egală cu sarcina ionului. Exemplu: SO 4 2- (ion sulfat ) corespunde la 1 S (VI) și 4 O (-II).
• La o specie chimică homopolyatomică (compusă din atomi de aceeași natură), atomii au în general toți același număr Exemple de molecule homonucleare: O 2 ( dioxigen ); N 2 ( diazot ); nu (Y sau N) = 0. Exemplu de ion homopolyatomic: Hg 2 2+ (ion dimercur (+ I), constituent al clorurii de mercur (I) ); nu (Hg) = + I. Excepție: în ozonul O 3 atomul mediu de oxigen are o sarcină pozitivă și celelalte două o sarcină negativă, fără a le putea atribui numere întregi.
• La o specie chimică heteropolyatomică, dacă există legături covalente între atomi de aceeași natură, acestea nu contribuie la calcularea nr. Exemplu: în C 2 H 6adică H 3 C-CH 3( etan ), stările de oxidare sunt H (I) și C (-III).

Regulile uzuale

• Un corp elementar sau molecular simplu are un nu egal cu zero (de exemplu, nu (Ne) = 0 și nu (H 2 ) = 0).
• Într-un compus, fluorul are întotdeauna un nu egal cu –I.
• Într-un compus, un alcalin (Li, Na etc.) are întotdeauna un nu egal cu + I.
• Într-un compus, un alcalin pământos (Be, Mg etc.) are întotdeauna un nu egal cu + II.
• Într-un compus, hidrogenul are în aproape toate cazurile un nu egal cu + I, cu excepția hidrurilor metalice, cum ar fi NaH sau LiH (hidrură de sodiu sau litiu), pentru care nu (H) = –I.
• Într-un compus, oxigenul are cel mai adesea un nu egal cu –II. Cu toate acestea, există mai multe excepții:
  • În peroxizi , prezența unei punți de oxigen OO induce un no = –I pentru fiecare oxigen. Exemplu: H 2 O 2 ( peroxid de hidrogen ), care corespunde HOOH.
  • În superoxizi , (ionul superoxid are formula O 2 - ), este în medie -1/2. De fapt, unul dintre atomii de O este încărcat –1 și are un număr de oxidare –I, celălalt este neîncărcat și are un număr de oxidare zero.
  • În ozonide (ionul ozonid are formula O 3 - ), este în medie -1/3. De fapt, unul dintre atomii de O este încărcat –1 și are un număr de oxidare –I, ceilalți doi sunt neîncărcați și au un număr de oxidare zero.
  • Deoarece fluorul este cel mai electronegativ dintre elemente, are un număr de oxidare -I în toți compușii săi. Astfel, în molecula OF 2 ( difluorură de oxigen ), numărul de oxigen este + II.

Aplicarea la o structură Lewis

Când structura Lewis a unei molecule este disponibilă, numerele de oxidare pot fi calculate din electronii de valență  :

• Electronii dintr-o legătură chimică între doi atomi diferiți „aparțin” atomului cu cea mai mare electronegativitate ;
• Electronii aparținând unei legături împărțite de doi aceiași atomi sunt, de asemenea, împărtășite;
• Electronii dintr-o pereche de electroni (pereche simplă) aparțin exclusiv atomului având o astfel de pereche.

De exemplu, luați în considerare molecula de acid acetic  :

• Toți atomii de hidrogen au un număr de oxidare de +1 deoarece își „donează” electronul către alți atomi legați care au o electronegativitate mai mare.
• Atomul de carbon din metil grupa (CH 3 ) are 3 x 2 = 6 electroni de valență ale obligațiunilor sale cu cei trei atomi de hidrogen. În plus, atomul de carbon obține un electron din legătura sa cu celălalt atom de carbon, deoarece perechea de electroni este împărțită și în legătura CC. Numărul este deci de 7 electroni. Un singur atom de carbon are 4 electroni de valență (familia IV-A din tabelul periodic). Diferența, 4 - 7 = –3 , este numărul său de oxidare. Presupunând că toate legăturile sunt ionice (ceea ce nu este cazul aici), atomul de carbon poate fi reprezentat de C 3– .
• Aplicând aceleași reguli pentru gruparea carboxil (-COOH), atomul de carbon are un număr de oxidare de + III. Obține un singur electron din legătura sa cu celălalt atom de carbon. Cei doi atomi de oxigen „împrumută” toți ceilalți electroni, deoarece sunt mai electronegativi decât carbonul. Un singur atom de oxigen are 6 electroni de valență. Fiecare atom de oxigen este înconjurat de 8 electroni: 4 din perechile unice și 4 din legături. Ca rezultat, numărul lor de oxidare este 6 - 8 = –2 .

Exemple de elemente cu multiple numere de oxidare

• Clorul poate avea mai multe numere de oxidare:

Numărul de oxidare	Formula chimică	Numele de familie	cometariu
–1	Cl -	clorură
0	Cl 2	clor
+1	ClO -	hipoclorit sau oxoclorat (I)	Constituent al înălbitorului .
+3	ClO 2 -	clorit sau dioxoclorat (III)
+5	ClO 3 -	clorat sau trioxoclorat (V)	Cunoscut pentru proprietățile sale explozive la impact (KClO 3  : clorat de potasiu)
+7	ClO 4 -	perclorat sau tetraoxoclorat (VII)	Cunoscut sub numele de acid percloric HClO 4 (cel mai puternic acid, în apă).

Același lucru este valabil și pentru alți halogeni , iod și brom, cu excepția fluorului care este mai electronegativ decât oxigenul.

• În cazul oxizilor de fier  : în FeO wustite , este fier (+ II); în hematit Fe 2 O 3, este fier (+ III); în magnetit Fe 3 O 4, este fier (+ II) și fier (+ III): Fe (II) Fe (III) 2 O 4.
• Mangan poate exista în diferite stări de oxidare: se găsește în starea (+ II) în oxidul MnO; în starea de oxidare (+ III) în Mn 2 O 3 ; în stat (+ IV) în MnO 2  ; în stare (+ V) în Na 3 MnO 4 ; la starea (+ VI) în K 2 MnO 4 ; atinge numărul maxim de oxidare posibil, (+ VII), în permanganat de potasiu (KMnO 4 ) sau în heptoxid de dimanganez (Mn 2 O 7).

Articole similare

• Electrochimie
• Reacție de oxidare-reducere
• Spectroscopie Mössbauer
• Valenţă
• Lista gradelor de oxidare a elementelor

Referințe

Note

1. Numărul de oxidare versus sarcină electrică: nu se referă la atomi, indiferent dacă sunt izolați sau într-un set legat (moleculă sau ion poliatomic), sarcina se referă la ioni, fie că sunt mono sau poliatomici. Cele două fuzionează numai pentru ioni monoatomici.

Referințe

1. (în) „  stare de oxidare  ” Compendiu de terminologie chimică [„  Gold Book  ”], IUPAC 1997, versiune corectată online (2006-), ediția a II- a  .