Αριθμός οξείδωσης
From Wikipedia, the free encyclopedia
Ο αριθμός οξείδωσης ή βαθμίδα οξείδωσης ή τυπικό σθένος ενός χημικού στοιχείου σε ένα χημικό είδος είναι ένας αριθμητικός δείκτης που αντιστοιχεί στο αλγεβρικό άθροισμα του πραγματικού ηλεκτρονιακού φορτίου που αποκτά το (πρώην) άτομο όταν (τυχόν) σχηματίζει ιόν και κατ' επέκταση ιοντικούς δεσμούς[1] και του φαινομενικού ηλεκτρονιακού φορτίου που αποκτά το άτομο όταν ενώνεται (επίσης τυχόν) ομοιοπολικά με άτομα άλλων στοιχείων, αν τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων θεωρηθούν ότι αποδίδονται στο ηλεκτραρνητικότερο απ'αυτά,[2] παρ' όλο που στην πραγματικότητα αυτό ποτέ δεν είναι απόλυτα αληθές.
Ο όρος «οξείδωση» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από το Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ με την έννοια της αντίδρασης μιας ουσίας με το οξυγόνο. Αρκετά αργότερα, όμως, συνειδητοποιήθηκε ότι μια χημική ουσία οξειδώνεται όταν χάνει ηλεκτρόνια, οπότε η έννοια της «οξείδωσης» επεκτάθηκε για να συμπεριλάβει και άλλες αντιδράσεις στις οποίες συμβαίνει απώλεια ηλεκτρονίων, χωρίς την παρουσία οξυγόνου.
Ο αριθμός οξείδωσης τυπικά παριστάνεται με τη χρήση ακεραίων. Ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις χρησιμοποιείται η μέση βαθμίδα οξείδωσης ενός χημικού στοιχείου, που μπορεί να είναι και κλασματική. Αυτό συμβαίνει για παράδειγμα στη μέση βαθμίδα οξείδωσης του σιδήρου στο μαγνητίτη (Fe3O4) είναι 8⁄3. Ο μεγαλύτερος γνωστός αριθμός οξείδωσης που έχει αναφερθεί είναι +9, για το ιρίδιο στο κατιόν τετροξειδίου του ιριδίου [IrO4]+[3], ενώ ο μικρότερος (αλγεβρικά) αριθμός οξείδωσης που έχει αναφερθεί είναι -5, για το βόριο, το γάλλιο, το ίνδιο και το θάλλιο σε διάφορες φάσεις Ζίντι (Zintl phases), που αποτελεί έναν τύπο διαμεταλλικών ενώσεων.[4] Προβλέφθηκε, όμως, βαθμός οξείδωσης +10, για το λευκόχρυσο στο δικατιόν τετροξειδίου του λευκόχρυσου [PtO4]2+.[5]
Η αύξηση του βαθμού οξείδωσης ενός ατόμου, μέσω μιας χημικής αντίδρασης, είναι γνωστή ως οξείδωση, ενώ η μείωση του βαθμού οξείδωσης ενός ατόμου, είναι γνωστή ως αναγωγή. Τέτοιες αντιδράσεις τυπικά περιλαμβάνουν μεταφορά ηλεκτρονίων, οπότε η πρόσληψη ηλεκτρονίων αντιστοιχεί με αναγωγή και η απώλεια αντιστοιχεί σε οξείδωση. Για τις αλλοτροπικές μορφές χημικών στοιχείων η βαθμίδα οξείδωσης είναι πάντα 0.
Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι καθορισμού των βαθμών οξείδωσης.
Στην ανόργανη ονοματολογία ο βαθμός οξείδωσης ενός στοιχείου σε ένα χημικό είδος μπορεί να εκφράζεται με τη χρήση ρωμαϊκού αριθμού πάνω δεξιά από το χημικό σύμβολο του στοιχείου ή δίπλα στο όνομα του χημικού στοιχείου.
Σε ορισμένα συγγράμματα χημείας ενώσεων συναρμογής ο «αριθμός οξείδωσης» ορίζεται διαφορετικά από τη «βαθμίδα οξείδωσης».
Η ηλεκτραρνητικότητα μερικών στοιχείων κατά Linus Pauling :[6]
Προς τα δεξιά αυξάνεται η ηλεκτραρνητικότητα
F > Ο >Ν > Cl > Br > I > S > C > P > As > Sb > B > Bi > H > Si > Al > Μέταλλα
Η ενωτική ικανότητα[7] ενός χημικού στοιχείου εξαρτάται από το είδος των δεσμών τους οποίους αυτό μπορεί να σχηματίσει όταν ενώνεται με άλλα χημικά στοιχεία. Επομένως, δεν είναι σωστό να εκφράζουμε την ικανότητα αυτή με έναν αριθμό[8] αφού το ίδιο χημικό στοιχείο στην ίδια ένωση μπορεί να ενώνεται με διαφορετικούς χημικούς δεσμούς με τα άλλα στοιχεία της ένωσης. Όμως η έκφραση της ενωτικής ικανότητας διευκολύνεται πάρα πολύ από την εισαγωγή της έννοιας του αριθμού οξείδωσης.
Ο αριθμός οξείδωσης[9](συντομογραφία "α.ο.") είναι μια συμβατική χημική έννοια που επινοήθηκε για να διευκολύνει:
- Τη γραφή των χημικών τύπων και την ονοματολογία των χημικών ενώσεων.
- Τη μελέτη των διαφόρων ενώσεων του κάθε χημικού στοιχείου.
- Την αναγνώριση του μορίου ή ιόντος που ανάγεται ή οξειδώνεται
- Την εύρεση των συντελεστών στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.
Παραδείγματα:
- Στο φθοριούχο ασβέστιο (CaF2) που αποτελείται από ιόντα Ca2+ και F−, το ασβέστιο έχει α.ο. = +2 και το φθόριο α.ο. = −1.
- Στο μεθάνιο, που φαίνεται στην πρώτη εικόνα, αν θεωρηθεί ότι τα τέσσερα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων ανήκουν εξ ολοκλήρου στο ηλεκτραρνητικότερο άτομο μεταξύ άνθρακα (C) και υδρογόνων (Η) που είναι ο C, τότε αυτός αποκτά "φαινομενικό φορτίο" −4, ενώ κάθε άτομο Η αποκτά +1. Άρα λέμε ότι στο μεθάνιο ο α.ο. του C είναι −4 και καθε ατόμου Η είναι +1.
Ανάλογα θεωρούμε ότι στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2), της δεύτερης εικόνας, τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων ανήκουν στο οξυγόνο (Ο) που είναι ηλεκτραρνητικότερο του άνθρακα (C). Άρα α.ο. Ο = −2 και α.ο. C = +4. - Όταν συνδέονται ομοιοπολικά όμοια άτομα (π.χ στο μόριο του οξυγόνου, Ο2), δεχόμαστε ότι ο α.ο. κάθε ατόμου είναι μηδέν γιατί δεν υπάρχει διαφορά ηλεκτραρνητικότητας και τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων ανήκουν και στα δύο άτομα.