Αριθμοί οξείδωσης — Κανόνες και πώς να τους βρίσκετε

Οι αριθμοί οξείδωσης δείχνουν πώς κατανέμονται τα ηλεκτρόνια σε μια ένωση ή σε ένα ιόν. Είναι ένα εργαλείο λογιστικής καταγραφής που χρησιμοποιείται για να αναγνωρίζουμε την οξείδωση και την αναγωγή, όχι ένας ισχυρισμός για το κυριολεκτικό μετρούμενο φορτίο του ατόμου σε κάθε δεσμό.

Αν χρειάζεσαι τη γρήγορη μέθοδο, χρησιμοποίησε αυτό: δώσε πρώτα τις τυπικές τιμές, κάνε το άθροισμα να ισούται με το συνολικό φορτίο και βρες την άγνωστη τιμή.

Κανόνες αριθμών οξείδωσης για να ξεκινήσεις

Τα περισσότερα προβλήματα εισαγωγικής χημείας λύνονται με αυτούς τους κανόνες:

1. Ένα στοιχείο στη στοιχειακή, ασύνδετη μορφή του έχει αριθμό οξείδωσης $0$. Παραδείγματα είναι τα $Na$, $O_2$ και $Cl_2$.
2. Ένα μονοατομικό ιόν έχει αριθμό οξείδωσης ίσο με το φορτίο του. Άρα το $Na^+$ είναι $+1$ και το $S^{2-}$ είναι $-2$.
3. Σε μια ουδέτερη ένωση, οι αριθμοί οξείδωσης αθροίζονται σε $0$.
4. Σε ένα πολυατομικό ιόν, οι αριθμοί οξείδωσης αθροίζονται στο συνολικό φορτίο του ιόντος.
5. Τα μέταλλα της Ομάδας 1 είναι συνήθως $+1$, και τα μέταλλα της Ομάδας 2 είναι συνήθως $+2$ στις ενώσεις τους.
6. Στο φθόριο αποδίδεται αριθμός οξείδωσης $-1$ στις ενώσεις του.
7. Το οξυγόνο είναι συνήθως $-2$, αλλά όχι πάντα. Στα υπεροξείδια είναι $-1$, και σε ενώσεις με φθόριο δεν παίρνει τη συνηθισμένη τιμή $-2$.
8. Το υδρογόνο είναι συνήθως $+1$ με αμέταλλα και $-1$ στα υδρίδια μετάλλων.
9. Το χλώριο, το βρώμιο και το ιώδιο είναι συχνά $-1$ σε απλές ενώσεις, αλλά αυτό το μοτίβο μπορεί να αλλάξει όταν συνδέονται με οξυγόνο ή φθόριο.

Δεν χρειάζεται να έχεις απομνημονεύσει όλες τις εξαιρέσεις πριν ξεκινήσεις. Στα περισσότερα αρχικά προβλήματα, εφάρμοσε πρώτα τους βασικούς κανόνες και μετά έλεγξε αν ο χημικός τύπος ανήκει σε γνωστή περίπτωση εξαίρεσης.

Πώς να βρίσκεις αριθμούς οξείδωσης βήμα προς βήμα

Χρησιμοποίησε αυτή τη διαδικασία:

1. Γράψε το συνολικό φορτίο του χημικού είδους.
2. Συμπλήρωσε τους αριθμούς οξείδωσης που συνήθως καθορίζονται από κανόνα.
3. Θέσε τον άγνωστο αριθμό οξείδωσης ίσο με $x$.
4. Κάνε το άθροισμα ίσο με το συνολικό φορτίο και λύσε ως προς $x$.
5. Έλεγξε αν χρησιμοποίησες κάποιον κανόνα που έχει εξαίρεση.

Αυτό το τελευταίο βήμα είναι σημαντικό. Μια εξίσωση που φαίνεται σωστή μπορεί πάλι να δώσει λάθος απάντηση αν υπέθεσες σιωπηρά ότι το οξυγόνο είναι πάντα $-2$ ή ότι το υδρογόνο είναι πάντα $+1$.

Λυμένο παράδειγμα: Βρες το μαγγάνιο στο $KMnO_4$

Βρες τον αριθμό οξείδωσης του μαγγανίου στο υπερμαγγανικό κάλιο, $KMnO_4$.

Ξεκίνα με τις τιμές που συνήθως είναι σταθερές:

• το κάλιο, μέταλλο της Ομάδας 1, είναι $+1$
• το οξυγόνο εδώ είναι συνήθως $-2$

Θέσε για το μαγγάνιο $x$. Επειδή το $KMnO_4$ είναι ουδέτερο, οι αριθμοί οξείδωσης πρέπει να αθροίζονται σε $0$:

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

Άρα

$$1 + x - 8 = 0$$ $$x - 7 = 0$$ $$x = +7$$

Άρα το μαγγάνιο έχει αριθμό οξείδωσης $+7$.

Αυτό το παράδειγμα δείχνει όλη τη μέθοδο με μία κίνηση: συμπλήρωσε τις τυπικές τιμές, γράψε την εξίσωση του συνολικού φορτίου και βρες την άγνωστη τιμή.

Γιατί έχουν σημασία οι αριθμοί οξείδωσης στη χημεία

Οι αριθμοί οξείδωσης σε βοηθούν να δεις τι αλλάζει σε μια αντίδραση. Αν ο αριθμός οξείδωσης ενός στοιχείου αυξάνεται, το στοιχείο οξειδώνεται. Αν ο αριθμός οξείδωσης μειώνεται, το στοιχείο ανάγεται.

Γι’ αυτό οι αριθμοί οξείδωσης εμφανίζονται σε:

• αναγνώριση του αν μια αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική
• στάθμιση οξειδοαναγωγικών εξισώσεων
• κατανόηση της ηλεκτροχημείας
• παρακολούθηση της χημείας ειδών μετάλλων μετάπτωσης

Είναι ένα σύστημα λογιστικής καταγραφής, όχι μια πλήρης εικόνα του δεσμού. Παρ’ όλα αυτά, είναι συχνά ο πιο γρήγορος και αξιόπιστος τρόπος για να δεις τι συμβαίνει σε μια αντίδραση.

Συνηθισμένα λάθη με τους αριθμούς οξείδωσης

Σύγχυση του αριθμού οξείδωσης με το πραγματικό φορτίο

Σε ένα μονοατομικό ιόν, ο αριθμός οξείδωσης και το φορτίο του ιόντος συμπίπτουν. Σε πολλές ομοιοπολικές ενώσεις, ο αριθμός οξείδωσης είναι μια τυπική απόδοση που χρησιμοποιείται για την καταμέτρηση ηλεκτρονίων. Δεν πρέπει να διαβάζεται αυτόματα ως το πραγματικό φυσικό φορτίο του ατόμου.

Ξεχνάς να ταιριάξεις το συνολικό φορτίο

Οι μαθητές συχνά αποδίδουν σωστά τις συνηθισμένες τιμές και μετά σταματούν. Η απάντηση είναι πλήρης μόνο όταν το συνολικό άθροισμα ταιριάζει με το φορτίο της ένωσης ή του ιόντος.

Χρησιμοποιείς τους κανόνες για το οξυγόνο ή το υδρογόνο υπερβολικά γενικά

Το οξυγόνο είναι συχνά $-2$, αλλά τα υπεροξείδια είναι μια συνηθισμένη εξαίρεση. Το υδρογόνο είναι συχνά $+1$, αλλά στα υδρίδια μετάλλων είναι $-1$. Αν ο τύπος ανήκει σε κατηγορία εξαιρέσεων, η συνηθισμένη συντόμευση αποτυγχάνει.

Διαβάζεις έναν μόνο αριθμό οξείδωσης σαν να εξηγεί όλη την αντίδραση

Οι αριθμοί οξείδωσης βοηθούν στη σύγκριση καταστάσεων ανάμεσα σε αντιδρώντα και προϊόντα. Ένας θετικός αριθμός οξείδωσης από μόνος του δεν σου λέει τι άλλαξε στην αντίδραση. Χρειάζεσαι τη σύγκριση πριν και μετά.

Πότε χρησιμοποιείς τους αριθμούς οξείδωσης

Συνήθως θα συναντήσεις τους αριθμούς οξείδωσης στη γενική χημεία, στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, στην ηλεκτροχημεία και στην ανόργανη χημεία. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι όταν η εξίσωση δεν δείχνει ρητά ηλεκτρόνια αλλά εσύ πρέπει πάλι να ξέρεις αν έγινε οξείδωση και αναγωγή.

Ακόμα και έξω από την τάξη, αυτή είναι μια πρακτική δεξιότητα ανάγνωσης. Σε βοηθά να κατανοείς τύπους όπως το υπερμαγγανικό, το διχρωμικό, το θειικό και πολλά μεταλλικά ιόντα χωρίς να απομνημονεύεις κάθε αντίδραση ξεχωριστά.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο πρόβλημα

Δοκίμασε να βρεις τον αριθμό οξείδωσης του θείου στο $SO_4^{2-}$. Το οξυγόνο κρατά τη συνηθισμένη τιμή του $-2$, οπότε το βασικό είναι να στηθεί σωστά η εξίσωση του συνολικού φορτίου. Αν θέλεις άλλη μία περίπτωση μετά από αυτό, δοκίμασε το άζωτο στο $NO_3^-$.