Stopnie utlenienia w jonach i cząsteczkach

Stopień utlenienia to umowna wartość liczbowa przypisana atomowi w cząsteczce lub jonie. Pokazuje, jaki ładunek miałby atom, gdyby wszystkie wiązania potraktować jako całkowicie jonowe, czyli gdyby elektrony przesunęły się do bardziej elektroujemnego pierwiastka. To pojęcie jest bardzo ważne przy analizie składu związków i później przy reakcjach typu utlenianie-redukcja.

Nie należy mylić stopnia utlenienia z rzeczywistym ładunkiem jonu w każdej substancji. W wielu związkach, zwłaszcza o wiązaniach kowalencyjnych, jest to wartość umowna, ale bardzo użyteczna obliczeniowo.

W zadaniach szkolnych najczęściej trzeba wyznaczyć stopień utlenienia wybranego pierwiastka w cząsteczce obojętnej albo w jonie wieloatomowym. Kluczem jest znajomość kilku stałych reguł i poprawne ułożenie prostego równania.

Najpierw trzeba zapamiętać podstawowe zasady. Pierwiastek w stanie wolnym, np. $\mathrm{Na}$, $\mathrm{O_2}$, $\mathrm{S_8}$, ma zawsze stopień utlenienia $0$. W cząsteczce obojętnej suma wszystkich stopni utlenienia wynosi $0$, a w jonie suma stopni utlenienia jest równa ładunkowi jonu.

Bardzo ważne są też typowe wartości wybranych pierwiastków:

• fluor ma w związkach zawsze $-1$,
• tlen ma zwykle $-2$,
• wodór ma zwykle $+1$,
• pierwiastki 1. grupy mają w związkach $+1$,
• pierwiastki 2. grupy mają w związkach $+2$.

Te wartości pozwalają wyliczyć nieznany stopień utlenienia innego atomu. Trzeba jednak pamiętać, że niektóre reguły mają wyjątki, zwłaszcza dla tlenu i wodoru.

Najważniejszy wyjątek dotyczy tlenu. Zwykle ma on stopień utlenienia $-2$, ale w nadtlenkach ma wartość $-1$. Przykładem jest $\mathrm{H_2O_2}$. W związkach tlenu z fluorem, np. $\mathrm{OF_2}$, tlen ma dodatni stopień utlenienia, ponieważ to fluor jest bardziej elektroujemny.

Wodór zazwyczaj ma $+1$, ale w wodorkach metali, takich jak $\mathrm{NaH}$ czy $\mathrm{CaH_2}$, ma wartość $-1$.

Chlor, brom i jod często mają $-1$, ale nie zawsze. W związkach z tlenem mogą mieć dodatnie stopnie utlenienia, na przykład w $\mathrm{HClO}$ chlor ma $+1$.

Najwygodniejsza metoda jest zawsze taka sama. Najpierw zapisujesz wzór związku lub jonu. Następnie przypisujesz znane stopnie utlenienia atomom, których wartości wynikają z reguł. Nieznany stopień utlenienia oznaczasz jako $x$.

Potem układasz równanie:

• dla cząsteczki obojętnej suma stopni utlenienia ma dać $0$,
• dla jonu suma ma dać ładunek jonu.

Przykład dla $\mathrm{H_2SO_4}$:

• wodór: $+1$,
• tlen: $-2$,
• siarka: $x$.

Układamy równanie:

$$2\cdot(+1)+x+4\cdot(-2)=0$$

Po uproszczeniu:

$$2+x-8=0$$

$$x=+6$$

Zatem siarka w $\mathrm{H_2SO_4}$ ma stopień utlenienia $+6$.

W jonach bardzo łatwo popełnić błąd, jeśli zapomni się o ładunku całego jonu. To właśnie ładunek końcowy zastępuje zero z cząsteczki obojętnej.

Dla jonu $\mathrm{SO_4^{2-}}$ zapis jest następujący:

$$x+4\cdot(-2)=-2$$

Po obliczeniu:

$$x-8=-2$$

$$x=+6$$

Siarka ma więc $+6$.

Dla jonu $\mathrm{PO_4^{3-}}$:

$$x+4\cdot(-2)=-3$$

$$x=+5$$

Fosfor ma $+5$.

W bardziej złożonych jonach trzeba pamiętać o liczbie atomów danego pierwiastka. Na przykład w $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ są dwa atomy chromu, więc zapisujemy:

$$2x+7\cdot(-2)=-2$$

Stąd każdy atom chromu ma stopień utlenienia $+6$.

Częsty błąd polega na zapisaniu tylko $x+7\cdot(-2)=-2$, bez uwzględnienia, że chrom występuje tam dwa razy.

W zadaniach maturalnych często sprawdza się nie tylko samo liczenie, ale też rozumienie wyjątków i porównywanie związków. Warto zwracać uwagę, czy substancja jest cząsteczką obojętną, jonem, nadtlenkiem albo wodorkiem metalu.

Typowe pułapki to:

• pominięcie ładunku jonu,
• nieuwzględnienie liczby atomów danego pierwiastka,
• automatyczne przypisanie tlenowi wartości $-2$ w nadtlenku,
• uznanie, że halogen zawsze ma wartość $-1$.

Dobrze jest też porównywać związki tego samego pierwiastka. Na przykład siarka ma:

• w $\mathrm{SO_3^{2-}}$ stopień utlenienia $+4$,
• w $\mathrm{SO_4^{2-}}$ stopień utlenienia $+6$.

Taki trening pomaga później rozpoznawać, czy w reakcji dany pierwiastek ulega utlenieniu czy redukcji. Na tym etapie najważniejsze jest jednak pewne i szybkie obliczanie stopni utlenienia w różnych wzorach chemicznych.