Wyznaczmy stopnie utlenienia kilku kolejnych przykładów
atomów tworzących cząsteczki.
Weźmy na przykład tlenek magnezu.
MgO
Zaznaczę tlen innym kolorem.
Jakie są stopnie utlenienia poszczególnych atomów?
Zapewne to już wiesz, ale spójrzmy jeszcze raz
na układ okresowy pierwiastków - nie zaszkodzi
dokładniej się z nim zaznajomić.
Mamy więc magnez.
Magnez ma dwa elektrony walencyjne.
Leży w II grupie układu okresowego.
Bardzo lubi oddawać swoje dwa elektrony walencyjne.
Tlen, wiemy to już, jest jednym z najbardziej
elektroujemnych pierwiastków. Jest tak bardzo elektroujemny, że utlenianie
wzięło od niego swoją nazwę.
Wiemy, że tlen lubi przyjmować dwa elektrony.
Między magnezem a tlenem powstaje takie... małżeństwo :)
Magnez chce oddać dwa elektrony, a tlen -
przyjąć dwa elektrony.
Co się w tej sytuacji dzieje?
Magnez straci dwa elektrony.
Był obojętny, neutralny.
A teraz ma teoretyczny ładunek równy +2.
Natomiast tlen przyjmuje ładunek -2,
ponieważ przyjął dwa elektrony.
W cząsteczce tlenku magnezu
stopień utlenienia magnezu wynosi +2,
a stopień utlenienia tlenu wynosi -2.
Rozważmy teraz bardziej skomplikowany przykład.
Weźmy wodorotlenek magnezu Mg(OH)2.
Grupa wodorotlenowa to OH,
w tlenku magnezu są dwie takie grupy.
Mam taką pokusę, żeby powiedzieć tak:
Magnez lubi oddawać dwa elektrony,
co sprawia, że jego ładunek wynosi +2.
Taki jest jego stopień utlenienia.
Więc skuszę się na stwierdzenie, że magnez
jest tutaj na stopniu utlenienia +2.
Zapiszę to.
Pamiętaj, spodziewamy się, że
skoro jest to cząstka obojętna, to suma wszystkich stopni utlenienia
wynosi zero.
Sprzwdźmy, czy ta teoria się sprawdza.
Weźmy teraz atom tlenu.
Instynktownie zapiszę, że stopień utlenienia
tlenu wynosi -2.
Zapiszę to.
Wodór jest związany z tlenem - pamiętaj,
w tym przypadku wodór jest połączony z tlenem,
a dopiero potem tlen jest połączony z magnezem.
Więc wodór jest połączony z tlenem.
Gdyby wodór był związany z magnezem, mógłbyś powiedzieć,
że to wodór zabiera elektrony od magnezu
i jest na ujemnym stopniu utlenienia.
Ale kiedy wodór jest połączony z tlenem,
oddaje swój elektron.
Atom wodoru ma tylko jeden elektron - i go oddaje.
Przyjmuje więc stopień utlenienia równy +1.
Sprawdźmy.
Początkowo możesz powiedzieć:
wszystkie stopnie utlenienia...
+2 + (-)2 = 0 i do tego jeszcze dodaję +1 = +1.
Wychodzi mi całkowity ładunek cząsteczki równy +1!
To nie ma sensu!
To miała być cząstka obojętna!>
Ale pamiętaj, w tym przykładzie
masz dwie grupy OH.
Czyli dochodzisz do wniosku, że po dodaniu stopni utlenienia
w jednej grupie OH,
wychodzi (-)2 + (+)1 = (-)1.
Więc całkowity ładunek grupy wodorotlenowej
wynosi (-)1.
A masz dwie takie grupy, prawda?
Masz dwie grupy OH.
Więc wkład do całkowitego ładunku
wynosi (-)1, dla każdej z grup OH.
Masz dwie grupy OH,
czyli ich wkład wynosi (-)1 + (-)1 = (-)2. W sumie obliczenia dla Mg(OH)2 to: (-)2 + (+)2 = 0.
Całkowity ładunek cząsteczki Mg(OH)2 wynosi 0.
Czyli metoda działa.
Teraz zrobię małą dygresję.
Wrócę do robienia przykładów.
Ale to będzie takie poboczne przyjrzenie się terminologii.
Używam tutaj pojęć: stopień utlenienia, utlenianie
czy redukowanie zamiennie w pewnym stopniu.
Ale przecież przeanalizowaliśmy tyle przykładów
dotyczących autodysocjacji wody. Właściwie - weźmy dwa mole cząsteczek wody.
Będą w równowadze z 1 molem jonów H3O+ i z jednym molem jonów OH-.
Oczywiście wszystko to w środowisku wodnym.
Przyjrzyjmy się cząsteczce wody.
Jakie są stopnie utlenienia w cząsteczce wody?
Obliczyliśmy to w poprzdnim filmie.
Stopień utlenienia tlenu wynosi (-)2, ponieważ
tlen przyjmuje dwa elektrony od dwóch wodorów.
Każdy atom wodoru oddaje jeden elektron,
dlatego każdy atom wodoru jest na stopniu utlenienia +1.
Patrzymy na tę cząsteczkę,
wszystko się zgadza.
Masz dwa wodory na stopniu utlenienia +1.
To jest w sumie +2.
+2 + (-)2 = 0.
Czyli cząsteczka jest obojętna, zgadza się.
A tutaj? Jakie są stopnie utlenienia?
Jeden z tych wodorów opuścił cząsteczkę wody
i przyłączył się do drugiej cząsteczki wody
bez zabierania swojego elektronu.
Zostawił swój elektron tutaj.
Więc ten tlen ciągle ma stopień utlenienia tówny (-)2.
A ten wodór - nadal jest na stopniu utlenienia +1.
I dlatego liczymy w ten sposób: (-)2 + (+)1.
Wychodzi (-)1.
Tym razem to się zgadza, bo
ładunek jonu OH- wynosi (-)1.
Teraz tutaj - ile wynoszą stopnie utlenienia?
każdy z atomów wodoru jest na +1 stopniu utlenienia.
A atom tlenu jest na stopniu utlenienia (-)2.
I kiedy patrzysz na całkowity ładunek
tej cząstki, (+)1 od każdego atomu wodoru równa się (+)3.
Dodałem te ładunki.
Stopień utlenienia tlenu = (-)2.
Więc: (+)3 + (-)2 = (+)1.
Czyli ładunek całkowity tej cząstki wynosi (+)1.
Czas na pytanie: czy któreś stopnie utlenienia
utległy tutaj zmianie?
Wszystkie atomy wodoru tutaj -
w dwóch molach cząsteczek wody
lub - po prostu - w dwóch cząsteczkach wody -
Mam tu cztery mole atomów (lub cztery atomy) wodoru.
Zgadza się?
Wszystkie one są na stopniu utlenienia równym (+)1.
Po prawej stronie równania też mam cztery atomy wodoru.
Każdy z nich jest na (+)1 stopniu utlenienia.
Chociaż stopień utlenienia wodoru wynosi tutaj (+)1
i chociaż możesz pokazać kierunek tej reakcji,
wodór nie został utleniony.
Jego stopień utlenienia nie zmienił się.
Możliwe, że został utleniony w jakiejś poprzedniej reakcji, w której
utworzyła się woda, ale w tej reakcji - wodór nie uległ utlenieniu.
Podobnie atomy tlenu - mamy tutaj dwa atomy tlenu.
Każdy z nich jest na (-)2 stopniu utlenienia.
Tutaj też mamy dwa atomy tlenu.
I również każdy na stopniu utlenienia równym (-)2.
W wyniku tej reakcji żadne elektrony nie zmieniły
swojego położenia, stopnie utlenienia nie uległy zmianie.
Czyli tutaj nie zaszła ani reakcji utlenienia ani redukcji.
Wytłumaczę to szczegółowo w następnym filmie.
Chcę, żeby to było jasne - w tej reakcji NIC nie zostało utlenione
ani zredukowane, ponieważ
poszczególne stopnie utlenienia przed reakcją i po reakcji są takie same.
Czasem będę mówić:
magnez jest na stopniu utlenienia równym +2,
a tlen na stopniu utlenienia (-)2,
czyli magnez jest utleniony.
Dwa elektrony zostały mu odebrane.
A tlen jest zredukowany,
przyjął dwa elektrony.
Chcę w ten sposób dać do zrozumienia, że te procesy (utlenianie i redukacja)
miały miejsce podczas reakcji tworzenia tlenku magnezu, ale nie zawsze zajmujemy się właśnie tym.
Może się zdarzyć, że
niekoniecznie musi zajść utlenianie i redukcja.
Ale stopień utlenienia magnezu w związkach
zawsze wynosi +2.
A stopień utlenienia tlenu
zazwyczaj wynosi (-)2. >
Mam nadzieję, że będziesz wiedział, co mam na myśli, kiedy mówię, że
coś jest utlenione.
W pewnym sensie to pochodzi od przejścia od obojętnego magnezu
do magnezu naładowanego dodatnio - poprzez utratę dwóch elektronów.
Takie przejście to utlenienie.
Zajmijmy się poważniejszym problemem. Nadtlenek wodoru.
Mówiłem to już wielokrotnie, że tlen
dąży do uzyskania stopnia utlenienia (-)2.
Tutaj jest (-)1.
Ci tutaj dążą do stopnia utlenienia (+)1.
Wodór może mieć (+)1 lub (-)1.
Atomy tutaj (+)2.
Myślę, że widzisz zależości.
Wszystko zależy od tego, czy lubią oddawać czy przyjmować elektrony.
Mógłbyś powiedzieć, że woda normalnie...
Możesz się pokusić o napisanie tego.
Wodór jest stopniu utlenienia (+)1 w cząsteczce wody.
Tlen na stopniu utlenienia (-)2.
Kiedy to piszesz, od razu pojawia się pytanie -
czy to (H2O2) jest cząsteczka obojętna. Sprawdźmy.
Dwa atomy wodoru na stopniu utlenienia (+)1, czyli łącznie (+)2.
Dwa atomy tlenu na stopniu utlenienia (-)2,
czyli łącznie (-)4.
To znaczy, że kończymy z całkowitym ładunkiem
(+)2 + (-)4 = (-)2.
Ale chyba nie o to chodzi, przecież
ta cząsteczka nie ma ładunku!
I to jest ta dziwna zagadka.
Sytuacja jest dziwna, bo jeśli spojrzysz na
strukturę nadtlenku wodoru, zobaczysz, że atomy tlenu
łączą się ze sobą nawzajem.
Stąd się bierze ten NADtlenek.
Do tego każdy atom tlenu jest połączony z atomem wodoru.
Czyli w tym przypadku, szczególnie w pierwszym roku nauki chemii,
cząsteczki nadtlenków, np. H2O2,
są bardzo wyjątkowe.
Są oczywiście też inne, ale to jest ten jeden przypadek, w którym
atomy tlenu nie są na stopniu utlenienia (-)2.
Przyjrzyjmy się temu i spróbujmy określić, na jakim stopniu utlenienia
są atomy tlenu w cząsteczce nadtlenku wodoru.
W tej sytuacji, w wiązaniu wodór-tlen,
tlen przyjmuje elektron a wodór
ten elektron traci.
Więc tutaj mamy (+)1.
To samo tutaj.
Z tego wiązania tlen ma cąstkowy ładunek (-)1 [przyp. tłum. na rysunku jest błąd; jest +1, a powinno być -1].
Zdobywa elektron.
A co z wiązaniem między atomami tlenu?
Cóż, nie ma żadnego powodu, żeby tleny
zabierały sobie wzajemnie elektrony.
Czyli to wiązanie nie ma żadnego wpływu
na stopień utlenienia tlenu.
Czyli w tym przypadku stopień utlenienia tlenu wynosi (-)1 [przyp. tłum. na rysunku nadal jest błąd].
Tak samo dla tego atomu tlenu.
Czyli każdy atom wodoru jest na stopniu utlenienia (-)1.
A każdy atom tlenu jest na stopniu utlenienia (-)1.
Czyli suma stopni utlenienia wynosi 0.
2 * (+)1 + 2 * (-)1 = 0
Więc to był wyjątek.
Dobrze jest go znać.
Przeanalizujmy kolejny przykład.
Węglan żelaza(III).
Pamiętam, jak pierwszy raz
pisaliśmy wzór węglanu żelaza(III).
Pewnie sobie myślałeś, że bez sensu jest ta nazwa, żelazo(III),
skoro są tylko dwa atomy żelaza.
Teraz dowiesz się, skąd się ta nazwa wzięła.
Spójrzmy na stopnie utlenienia.
Tlen.
Stopień utlenienia atomów tlenu wynosi (-)2.
Węgiel łączy się z tlenem...
spójrzmy na układ okresowy.
Węgiel łączy się z tlenem.
Węgiel może jednak łączyć się inaczej.
Węgiel czasami lubi oddawać swoje elektrony.
A czasami lubi brać cudze elektrony.
Kiedy węgiel łączy się z tlenem, tlen jest
takim przyciągaczem elektronów.
Więc kiedy musimy powiedzieć, kto bierze elektrony,
to na pewno będzie tlen.
Zgadza się?
Więc węgiel oddaje swoje elektrony.
Ale ILE elektronów może oddać węgiel?
Policzmy.
Węgiel ma 1, 2, 3, 4 - cztery elektrony walencyjne.
Czyli może co nawyżej oddać cztery elektrony.
Wróćmy do węglanu.
Węgiel może oddać co najwyżej swoje
cztery elektrony walencyjne.
Jaki będzie stopień utlenienia atomu węgla
w cząsteczce węglanu?
W cząstce CO3 ?
Będzie równy (+)4, ponieważ
oddał cztery elektrony.
Kiedy węgiel łączy się z tlenem, oddaje mu cztery elektrony.
Tlenowi potrzeba więcej!
Każdy tlen chce być na stopniu utlenienia (-)2.
Przemyślmy to.
Mamy (+)4 + 3 * (-)2.
Tak?
Mamy 3 atomy tlenu.
Czyli w sumie: 4 - 6 = (-)2.
Czyli możemy przypuszczać, że ładunek reszty węglanowej
(cząstki CO3) wynosi (-)2.
Skoro całkowity ładunek CO3 wynosi (-)2,
to taki jest też wkład tej cząstki w całkowity stopień utlenienia całej cząsteczki.
Mamy trzy reszty węglanowe.
Każda z nich wnosi ładunek (-)2.
Czyli w sumie to jest (-)6.
Skoro wkład węglanu to (-)6, a cząsteczka jest obojętna, to nasze 2 atomy żelaza
muszą dostarczyć ładunek taki, żeby
suma ładunków cząstkowych wynosiła 0. Czyli od żelaza musi przyjść +6.
Wtedy suma stopni utlenienia wyniesie 0.
Jeśli dwa atomy żelaza mają dostarczyć +6,
to pojedynczy atom żelaza
musi być na stopniu utlenienia +6/2 = +3.
Albo - w naszym teoretycznym świecie - dzieje się tak, że
od każdego atomu żelaza muszą być dostarczone trzy elektrony
dla grup węglanowych.
Dlaczego więc mówimy o węglanie żelaza(III)?
Myślę, że teraz już wiesz.
Dlatego, że żelazo jest w tym związku na stopniu utlenienia +3.
Żelazo - tak jak większość metali,
szczególnie metali przejściowych - może przyjmować różne stopnie utlenienia.
Jeśli masz węglan żelaza(III), to od razu wiesz,
że w tym związku żelazo jest na stopniu utlenienia +3.
Lub że cząstkowy ładunek żelaza w tej cząsteczce
wynosi +3.
Zróbmy inny przykład.
ten jest interesujący.
Kwas octowy.
Wydaje mi się, że to jest pierwszy raz, kiedy pokazuję ci
wzór kwasu octowego.
Nie chcę się tutaj zagłębiać w chemię organiczną.
Ale spróbujmy określić, jakie różne ładunki
lub stopnie utlenienia są w cząsteczce kwasu octowego.
Możesz też zobaczyć zapisane to w ten sposób.
To też jest OK.
Atomy tlenu, każdy z nich, chcą być na stopniu utlenienia (-)2.
Wodory - każdy na (+)1.
To na czym stoimy?
Te tleny dają łącznie (-)4.
A wodory dają: tutaj jest (+)3,
a tu jeszcze (+)1.
Dodajesz to wszystko do siebie i... masz 0.
O!
Czyli węgiel nie ma stopnia utlenienia! ;)
Albo ma stopień utlenienia równy 0.
Wychodzi nam zero, jeśli rozważymy tylko wodory
i tleny.
Sprawdźmy, jak to jest w rzeczywistości - przyjrzyjmy się wzorowi strukturalnemu.
Kiedy węgiel łączy się z wodorem, to
kto bierze elektrony?
Kiedy węgiel łączy się z wodorem.
Elektroujemność - przesuwasz się w prawą stronę, więc
węgiel jest bardziej elektroujemny.
Lubi trzymać elektrony przy sobie albo je zawłaszczać -
bardziej niż wodór.
Więc wodór straci swoje elekrony w naszym
teoretycznym świecie stopni utleniania.
To jest w zasadzie wiązanie kowalencyjne, ale przyjęliśmy, że
kiedy rozważamy stopnie utlenienia,
wyobrażamy sobie, że to wiązanie jest jonowe.
Więc w tym przypadku wodory
tracą elektrony.
Każdy z tych wodorów będzie na stopniu utlenienia (+)1.
To jest spójne z tym, co wiemy.
Ale tutaj jest coś innego.
Kiedy robiliśmy to ćwiczenie, tutaj, z miejsca
napisałem, że wodory są na stopniu utlenienia (+)1.
Zrobiłem tak, ponieważ w tej cząsteczce wszystkie inne
atomy to węgiel i tlen, które są bardziej elektroujemne
od wodoru.
Czyli atomy wodoru będzie na stopniu utlenienia (+)1.
Gdybym miał w tym miejscu metale alkaliczne,
nie byłbym taki pewny siebie.
Wtedy zacząłbym się zastanawiać, czy może wodór
nie przyjmowałby elektronów od tych metali.
Ale nieważne.
Te wszystkie atomy oddają elektrony atomowi węgla.
Czyli tylko od tych trzech atomów wodoru ten atom węgla będzie na
stopniu utlenienia (-)3.
Te atomy tracą elektrony.
Ten atom dostaje trzy elektrony, więc jego ładunek
obniża się o trzy.
Wiązanie węgiel-węgiel.
Nie ma powodu, dla którego atomy węgla miałyby sobie
zabierać elektrony.
Wszystkie atomy węgla są równe!
Czyli tutaj nie ma przenoszenia elektronów.
Czyli ten atom węgla zostaje na stopniu utlenienia (-)3.
A co po tej stronie cząsteczki?
Wiemy, że ten atom węgla jest na sotpniu utlenienia (+)1.
Oddaje swój elektron atomowi tlenu.
Ten atom tlenu, jak większość atomów tlenu,
chciałby przyjąć dwa elektrony.
Jeden od atomu węgla i jeden od atomu wodoru.
I teraz jego stopień utlenienia wynosi (-)2.
Ten atom tlenu również chce przyjąć dwa elektrony.
W tym przypadku oba elektrony będą pochodziły
od tego pomarańczowego atomu węgla.
Czyli ten atom tlenu jest na (-)2 stopniu utlenienia.
Jaki jest stopień utlenienia tego atomu węgla?
Stracił dwa elektrony na rzecz tego tlenu i jeszcze jeden
na rzecz tego tlenu.
Pamiętaj, ten atom tlenu dostał jeden elektron od atomu węgla
i jeden elektron od atomu wodoru.
Więc stracił jeden elektron tutaj, a dwa tutaj,
czyli w sumie stracił trzy elektrony.
Czyli w naszej rzeczywistości ma cząśtkowy ładunek równy (+)3.
Okazuje się, że średni stopień utlenienia
atomów węgla w cząsteczce kwasu octowego wynosi 0.
Bo średnia arytmetyczna z (-)3 i (+)3 wynosi 0.
I to dlatego powiedziałem, że możliwe, że atomy węgla są na zerowym stopniu utlenienia.
Ale jeśli zapiszesz poszczególne stopnie utlenienia,
zielony węgiel ma (-)3.
A węgiel pomarańczowy
ma (+)3.
Kiedy masz już to rozpisane, a wydaje mi się, że teraz
to już nie jest tak mocno skomplikowane, spokojnie sobie z tym poradzisz.
Wydaje mi się, że masz już podstawy.
W następnym filmie zaczniemy rozważać
reakcje utleniania i redukacji.