Transcript: Valenţa şi numărul de oxidare - partea I

Lecția aceasta vom reveni putin asupra noțiunii de valență pentru a putea defini și pentru a înțelege mai bine ce înseamnă numărul de oxidare.
Aceste noțiuni sunt foarte importante pentru că stau la baza înțelegerii reacțiilor chimice.
După cum știm din primele lecții, electronii de valență sunt electronii pe care un atom îi are în ultimul strat electronic.
Pentru a ajunge la configurație electronică cea mai stabilă a ultimului strat, atomii folosesc de obicei electronii de valență și substraturile libere neocupate cu electroni.
În urma proceselor pe care tocmai le-am studiat de transfer de electroni sau de punere în comun de electroni, atomii își vor realiza configurații stabile în urma cărora se vor forma compușionici, respectiv compuși moleculari.
Valența e un număr întreg și caracterizează capacitatea de combinare a unui atom cu un alt atom.
În cazul compușilor ionici, în formarea cărora este implicat transferul de electroni, vorbim despre electrovalențe, adică despre numărul de electron pe care un atom care va forma un compuș ionic îi poate ceda, deci electrovalențe pozitive,
sau despre numărul de electron pe care îi poate primi, deci electrovalențe negative.
În ceea ce privește compușii moleculari, deci compușii formați prin punere în comun de electroni, vorbim despre covalență.
Covalența este dată de numărul de electron pe care un atom îi pune în comun cu electronii altui atom.
Pentru a defini într-un mod mai general valența, astfel încât să includă electrovalențele, pozitivă și negativă, cât și covalența, se folosește noțiunea de număr de oxidare.
Ce înseamnă, de fapt, definirea asta mai generală?
În cazul compușilor ionici, cum este, spre exemplu, clorura de sodiu, lucrurile sunt foarte clare.
Știm că sodiul vrea să scape de un electron, iar clorura are musă ai nevoie de un electron și, astfel, atât sodiul cât și clorul ajung să aibă configurații stabile de octet cu care sunt foarte fericiți.
Așadar, într-un compuș ionic, e foarte normal să atribuim câte o sarcină electrică atomilor pentru că fiecare atom chiar are câte o sarcină generată de transferul de electron.
În schimb, lucrurile nu mai sunt atât de clare în cazul compușilor moleculari, cum este apa, spre exemplu, pentru că aici vorbim de electron puși în comun.
Și pentru că oxigenul este foarte electronegativ, el va atrage mai puternic electronii către el, dobândind, astfel, acea sarcină parțial negativă despre care am mai vorbit,
iar atomii de hidrogen vor avea sarcini parțial pozitive pentru că de la ei vine câte un electron care se va învârti mai mult în jurul nucleului de oxigen.
Bun, deci înțelegem foarte bine care e procesul formării acestei molecule și că aceste sarcini nu sunt sarcini electronice reale ale atomilor,
deci electronii de la acei doi atomi de hidrogen nu sunt complet transferați oxigenului.
Dar haideți să facem un exercițiu de imaginație și să ne gândim cum ar fi stat treaba în moleculele de apă,
dacă, ipotetic vorbind, acestea ar fi fost legături ionice și nu legături covalente.
Care atom ar ceda un electron și care atom ar primi un electron?
Deci, în cazul apei, dacă am forțat ideea și ne-am gândit la apă ca la un compus ionic,
am putea zice că oxigenul a primit două electroni de la atomii de hidrogen,
iar atomii de hidrogen au cedat fiecare câte un electron oxigenului.
Deci, atomii de hidrogen ar avea fiecare dintre ei sarcina plus 1, iar oxigenul ar avea sarcina minus 2.
O să repet că nu asta se întâmplă în realitate.
Asta s-ar întâmpla în cazul ipotetic pe care ne-l imaginăm, că acest compus ar fi ionic.
De fapt, ar trebui să ne gândim la electronegativitate,
care știm că este puterea cu care un element atrage electronii dintr-o legătură covalentă,
și să ne amintim și de felul în care variază electronegativitatea în tabelul periodic.
Deci, în colțul din dreapta sus se găsesc cele mai electronegative elemente.
Acestea sunt azotul, oxigenul și florul.
Deci, să ne gândim că, în cazul apei, oxigenul, fiind mai electronegativ decât hidrogenul,
va fi cel care primește electron, iar atomii mai puțin electronegativ sunt cei care donează sau cedează electroni.
Asta deși noi știm că realitatea e undeva la mijloc, sarcinile sunt de fapt parțiale,
pentru că atomii pun în comun electronii, doar că oxigenul atrage electronii cu o putere mai mare,
iar hidrogenul atrage electronii cu o putere mai slabă.
În schimb, aceste numere, aceste sarcini ipotetice pentru cazul în care compușii moleculare ar fi compușionici,
sunt de fapt numerele de oxidare.
Ne putem folosi de acest exercițiu de imaginație pentru a înțelege mai bine și a reține mai ușor
regulile pentru determinarea numerelor de oxidare despre care vom discuta imediat.
Numărul de oxidare al unui atom, pe scurt notat NO,
este un număr care reprezintă sarcina pe care el ar putea să o aibă teoretic într-un compus,
electronii fiind atribuiți atomilor din compus după anumite reguli.
Deci numărul de oxidare e o sarcină teoretică.
Numărul de oxidare e un număr întreg, pozitiv sau negativ,
care se poate nota în două moduri.
Primul este cu o cifră arabă precedată de sarcina plus sau minus și așezată deasupra simbolului elementului.
Deci în compușii molecular, sulful poate avea numerele de oxidare plus șase, plus patru sau plus doi,
iar când elementul există sub forma unui ion stabil, numărul de oxidare se scrie ca sarcina ionului în partea dreaptă sus a simbolului.
Într-un compus ionic, sulful va avea sarcina S2-.
Observați diferența?
Într-un compus molecular unde sulful are o sarcină teoretică,
numărul de oxidare se notează cu semnul înaintea cifrei,
iar când e vorba de un compus ionic unde sulful are sarcină reală,
semnul se notează după cifră, deci S2-.
Cel de-al doilea mod în care se poate nota numărul de oxidare este cu cifre romane între paranteze așezate după simbolul elementului.
Se poate preciza sau nu sarcina plus sau minus.
Haideți să vedem acum și care sunt regulile pentru stabilirea numerelor de oxidare.
În primul rând, atomii substanțelor elementare au numărul de oxidare zero.
Spre exemplu, atomii precum cuprus sau sodiul,
ori moleculele precum hidrogenul sau oxigenul sau molecula de fosfor,
toate au numărul de oxidare zero.
În compusi ionici, elementele au numărul de oxidare egal cu numărul de electron cedat sau cu numărul de electron primit în procesul de formare a ionilor.
Și avem aici câteva exemple de compusi ionici precum clorura de sodiu,
despre care știm deja că pentru formarea ei,
sodiul cedează un electron, iar clorul primește,
astfel că sodul va avea numărul de oxidare plus unu, iar clorul minus unu.
Ori, în cazul florurii de calciu,
calciul cedează doi electroni, iar doi atomi de flor primesc câte un electron,
pentru a-și forma configurația de octet.
Hidrogenul are întotdeauna numărul de oxidare plus unu în compusi cu legături covalente.
Spre exemplu, în acidul clorhidric, în amoniac sau în apă,
vedem că hidrogenul are numărul de oxidare plus unu.
Însă, în hidrurile ionice, hidrogenul are numărul de oxidare minus unu.
Hidruri ionice, adică hidrurile metalelor alcaline,
cum este hidrura de sodiu, adică hidrurile metalelor din prima grupă principală a tabelului periodic,
sau hidrurile metalelor alcalino-pământoase, cum este hidrura de calciu,
adică hidrurile metalelor din cea de-a doua grupă principală a tabelului periodic.
Oxigenul are în marea majoritatea compușilor numărul de oxidare minus doi,
spre exemplu, în apă sau în oxidiu de magneziu.
Însă, în cazul oxigenului există două excepții,
și anume când formează peroxis, cum este peroxidul de hidrogen, adică apa oxigenată,
oxigenul va avea numărul de oxidare minus unu.
Iar o altă excepție a oxigenului este diflurura de oxigen,
când numărul de oxidare al oxigenului este plus doi.
În cazul ionilor monoatomici, adică ionilor formați dintr-un singur atom,
sarcina ionului va da numărul de oxidare.
Deci, un atom de sodiu care cedează un electron va avea numărul de oxidare plus unu,
ori un atom de clor care primește un electron va avea numărul de oxidare minus unu, și tot așa.
În cazul ionilor poliatomici, cum este ionul sulfat, spre exemplu,
sarcina ionului va fi dată de suma numerelor de oxidari.
În cazul ionului sulfat, numărul de oxidare al sulfului este plus șase,
iar numărul de oxidare al oxigenului este minus doi, deci patru ori minus doi.
Astfel că, făcând suma dintre aceste numere de oxidare, obținem sarcina ionului poliatomic, adică minus doi.
În cazul atomilor elementelor din moleculele neutre,
numărul de oxidare se calculează ținând cont de faptul că suma numerelor de oxidare a acestor atomi,
care formează molecula, este întotdeauna zero.
Spre exemplu, molecula de acid sulfuric.
Haideți să calculăm suma numerelor de oxidare ale atomilor care formează molecula de acid sulfuric.
Avem numărul de oxidare pentru doi atomi de hidrogen plus numărul de oxidare al unui atom de sulf
și plus numărul de oxidare a patru atomi de oxigen.
Și astfel, știind că numărul de oxidare al hidrogenului este plus unu, iar numărul de oxidare al oxigenului este minus doi,
iar numărul de oxidare al sulfului în moleculă este plus șase, obținem zero.
După cum am văzut și mai devreme, există elemente care au mai multe numere de oxidare.
Am văzut că sulful are și numărul de oxidare plus patru sau minus doi, în funcție de compusul în care se află.
Astfel, dacă nu am fi știut că sulful în acidul sulfuric are numărul de oxidare plus șase, am fi calculat în felul următor.
Știm că suma numerelor de oxidare trebuie să fie zero.
Deci zero este egal cu doi ori plus unu, pentru că știm că numărul de oxidare al hidrogenului este plus unu,
și cu patru ori minus doi, pentru că știm că oxigenul are numărul de oxidare minus doi, și plus x, unde x este numărul de oxidare al sulfului.
Și astfel, printr-un calcul matematic foarte simplu, obținem că numărul de oxidare al sulfului în acidul sulfuric este plus șase.
Pe lângă toate aceste reguli generale de calcul a numerelor de oxidare ale elementelor, mai putem determina numărul de oxidare și în funcție de electronegativitatea elementelor.
Dar despre asta vom discuta lecția viitoare.
Tot lecția viitoare vom vedea și care este corelația între poziția elementelor în tabelul periodic și numărul de oxidare.