Obliczanie stopni utlenienia w jonach i cząsteczkach

Stopień utlenienia to umowny ładunek przypisany atomowi w związku chemicznym. Pomaga śledzić przepływ elektronów i rozpoznawać procesy utleniania oraz redukcji. Nie należy go utożsamiać z rzeczywistym ładunkiem atomu w cząsteczce kowalencyjnej.

Wartość stopnia utlenienia zapisuje się ze znakiem, np. $+2$, $-1$ albo $0$. Pierwiastek w stanie wolnym ma zawsze stopień utlenienia równy $0$: dotyczy to zarówno metali, np. $Fe$, jak i substancji prostych zbudowanych z cząsteczek, np. $H_2$, $O_2$, $Cl_2$ lub $S_8$.

Przed rozpoczęciem obliczeń przypisz znane wartości atomom, których stopnie utlenienia wynikają z reguł. Fluor ma w związkach zawsze $-1$. Metale 1. grupy, np. $Na$ i $K$, mają zwykle $+1$, a metale 2. grupy, np. $Mg$ i $Ca$, mają zwykle $+2$.

Tlen w większości związków ma $-2$. Taką wartość przyjmuje w wodzie, tlenkach i licznych jonach tlenowych. Wodór w połączeniach z niemetalami ma zwykle $+1$, np. w $HCl$ i $H_2O$.

Reguły te stosuje się najpierw, a dopiero potem oblicza wartość dla pierwiastka niewiadomego. Trzeba zawsze zwrócić uwagę na indeksy we wzorze: indeks oznacza liczbę atomów, więc wpływa na sumę stopni utlenienia.

Najczęstszym wyjątkiem od reguły tlenu jest nadtlenek. W nadtlenkach występuje grupa $O_2^{2-}$, dlatego każdy atom tlenu ma stopień utlenienia $-1$, a nie $-2$. Przykładem jest nadtlenek wodoru $H_2O_2$.

Wyjątek dotyczy też wodoru. W wodorkach metali, takich jak $NaH$ lub $CaH_2$, wodór ma stopień utlenienia $-1$. Metal ma wtedy wartość dodatnią: sód $+1$, a wapń $+2$.

Aby obliczyć nieznany stopień utlenienia, oznacz go jako $x$. Następnie wpisz znane wartości, pomnóż je przez liczbę atomów danego pierwiastka i ułóż równanie. Dla cząsteczki obojętnej prawa strona równania wynosi $0$.

Dla $SO_2$ tlen ma $-2$, a są dwa atomy tlenu. Zapis: $x + 2 \cdot (-2) = 0$. Z tego wynika, że siarka ma stopień utlenienia $+4$.

W związku $Fe_2O_3$ należy pamiętać o dwóch atomach żelaza: $2x + 3 \cdot (-2) = 0$. Stąd $2x=+6$, zatem każdy atom żelaza ma stopień utlenienia $+3$.

W jonach postępuje się tak samo jak w cząsteczkach, ale po prawej stronie równania wpisuje się ładunek jonu, a nie $0$. Jest to kluczowa różnica między obliczeniami dla cząsteczek i jonów.

Dla jonu $NO_3^-$ zapis ma postać $x + 3 \cdot (-2) = -1$. Azot ma więc stopień utlenienia $+5$. Dla jonu $SO_4^{2-}$ otrzymujemy $x + 4 \cdot (-2) = -2$, zatem siarka ma $+6$.

Jeżeli we wzorze są dwa atomy niewiadomego pierwiastka, współczynnik przy $x$ musi to uwzględniać. W jonie $Cr_2O_7^{2-}$ zapisujemy $2x + 7 \cdot (-2) = -2$. Wynik $x=+6$ oznacza stopień utlenienia każdego atomu chromu.

Warto kontrolować wynik: po podstawieniu wszystkich wartości ich suma musi dać dokładnie ładunek całej drobiny.