Hapetusnumero

Hapetusluvut tai hapetustilat (myös hapetustila , sähkökemiallinen valenssi ) ovat seurausta molekyylien rakenteen formalistisesta mallista. Hapetus numerot osoittavat hypoteettisen ioni maksut atomien on kemiallinen yhdiste tai moniatomiseen ioni varten hypoteettisessa tapauksessa, että yhdiste tai moniatomiseen ioni koostuu pelkästään monatomic ioneja, joilla on yhteisiä sitovia elektronien osoitettu atomin, jolla on suurempi elektronegatiivisuus . Tästä seuraa, että yhdisteen tai polyatomisen ionin kaikkien atomien hapetuslukujen summan on oltava yhtä suuri kuin yhdisteen tai ionin varaus. Yksinkertaisuutensa, suuren ennakointikykynsä ja laajan sovellettavuutensa vuoksi tällä lähestymistavalla on suuri merkitys kemisteille.

Helposti määritettävät hapetusluvut ovat tärkeitä epäorgaanisessa ja orgaanisessa kemiassa redoksireaktioiden ymmärtämiseksi ja ovat erittäin hyödyllisiä redoksiyhtälöiden muodostamisessa. Yhdisteen tai ionin atomi on saavuttanut korkeimman mahdollisen tai pienimmän mahdollisen hapetusluvun, kun se on luopunut tai absorboinut niin monta elektronia, että se saavuttaa seuraavan korkeamman tai seuraavan alemman jalokaasukonfiguraation . Yleiskatsaus kemiallisten alkuaineiden mahdollisista hapetusluvuista löytyy kemiallisten alkuaineiden hapetustilojen luettelosta . Atomien hapettumislukujen määrittäminen yhdisteissä ja ioneissa noudattaa muutamia yksinkertaisia ​​sääntöjä.

Hapetuslukujen määrittely: esimerkkejä ja reaktioyhtälöitä

Vaikka todelliset ionivaraukset kaavoissa kirjoitetaan varausluvuiksi, joissa on perässä + tai - ja sijoitetaan kaavan perään, kun hapetusluvut on määritelty kaavoissa, + tai - -merkki asetetaan arvon eteen ja sijoitetaan atomin yläpuolelle symbolit. Tekstissä ja nimissä hapetusluvut voidaan määrittää sekä arabialaisilla että roomalaisilla numeroilla . Hapettumisluvun nolla tapauksessa kirjoitetaan ± 0.

Hapetusluvun ilmoittaminen on tärkeää epäorgaanisten suolojen nimikkeistössä , esim. B. jos kyseessä on rauta (III) kloridi ja rauta (II) kloridi , ja kun nimetään metallikomplekseja , joissa hapetusluku osoittaa aina keskusatomin hapetusluvun, z. B. kun kyseessä ovat kaliumheksasyanidoferraatti (II) ja kaliumheksasyanidoferraatti (III) . Käytetään vain kokonaislukuisia hapettumislukuja, jotka lukuun ottamatta annetaan aina roomalaisina numeroina. Kun kaavoissa esitetään hapetuslukuja, ne annetaan yleensä arabialaisina numeroina ja ovat yleensä kokonaislukuja.

Esimerkkejä

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+1} {K}} {\ overset {+7} {Mn}} {\ overset {-2} {O_ {4}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+4} {Mn}} {\ overset {-2} {O_ {2}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+6} {S}} {\ overset {-2} {O_ {4} ^ {2-}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+4} {S}} {\ overset {-2} {O_ {3} ^ {2-}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {N}} {\ overset {+1} {H_ {3}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {N}} {\ overset {+1} {H_ {4} ^ {+}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+1} {H_ {2}}} {\ overset {-2} {S}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {0} {O}} {\ mathord {=}} {\ mathord {\ overset {0} {O}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {\ overset {+2} {Fe ^ {2+}}}}$
kaliumpermanganaattia permanganaattia	mangaani hiilidioksidi	Sulfaatti -ioni	Sulfiitti -ioni	ammoniakkia	Ammonium -ioni	rikki vety	happi	Rauta (II) -ioni

Kun muodostetaan redoksiyhtälöitä , yleensä annetaan vain atomien hapettumisluvut, jotka hapettuvat tai pelkistyvät, koska muiden atomien hapetusluvut eivät muutu. Vaihdettujen elektronien lukumäärä on otettava huomioon tarkistettaessa redoksiyhtälön varaustasoa. Sen on oltava täsmälleen yhtä suuri kuin kahden hapetusluvun välinen ero. Atomitaseet on tasapainotettava reaktioväliaineessa olevilla mukana olevilla aineilla, kuten. B. vesi H ₂ O ja happoa (Oksoniumin ionit H ₃ O ⁺ ) tai emästä (hydroksyyli-ionien OH ^- ). Lopullisena tarkistuksena reaktioyhtälön varaussaldon on myös oltava oikea.

Esimerkki: Kaksi redoksireaktioiden osittaista reaktiota, jossa hapettava aine on permanganaattianioni, joka pelkistyy eri tavalla joko happamassa tai emäksisessä liuoksessa.

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+7} {Mn}} O_ {4} ^ {-} \ + \ 8 \ H_ {3} O ^ { +} + 5 \ e ^ {-} \ longrightarrow { \ ylivalinta {+2} {Mn ^ {2 +}}} +12 \ H_ {2} O}}$

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+7} {Mn}} O_ {4} ^ {-} \ + \ 2 \ H_ {2} O + 3 \ e ^ {-} \ longrightarrow {\ overset { + 4} {MnO_ {2} {}}} + 4 \ OH ^ {-}}}$

Stoikiometrinen redoksireaktio on z. B. Tollensprobe , jossa asetaldehydi hapetetaan Ag ⁺ : lla etikkahapoksi ja muodostuu alkuaine Ag.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {+1} {C}} HO \+\ 2 \ {\ overset {+1} {Ag ^ {+}}}+ 2 \ OH ^ {-} \ longrightarrow \ CH_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {+3} {C}} OOH \ + \ 2 \ {\ overset {0} {Ag}} \ + \ \ H_ {2} O}}$

Jos kyseessä ovat stökiometrisesti oikeat redoksireaktiot, lähtöaineiden hapetuslukujen summa on yhtä suuri kuin tuotteiden hapettumislukujen summa.

Merkitys ja käyttö

Atomin hapetuslukua voidaan käyttää muodollisesti kuvaamaan atomin elektronitiheyttä positiivisella hapetusluvulla, joka osoittaa pienentyneen elektronitiheyden (verrattuna alkuaineen tilaan) ja negatiivisella hapetusluvulla, joka osoittaa lisääntynyttä elektronitiheyttä. Puhtaasti muodollisena parametrina hapetusluku korreloi vain huonosti todelliseen elektronitiheyteen tai varausjakaumaan.

Hapetus numerot ovat suuri merkitys asianmukaisen formulaatiossa ja määritys stoikiometria on redox-reaktioita . Niitä käytetään osoittamaan erilaiset hapetustilat ja niiden muutokset redoksireaktioiden aikana sekä määrittämään vaihdettujen elektronien lukumäärä. Atomityypin hapetusluvun alentaminen redoksireaktiossa tarkoittaa, että tämä atomityyppi on vähentynyt; vastaavasti atomityypin hapetusmäärän kasvu tarkoittaa, että tämä atomityyppi on hapetettu.

Mukaan IUPAC termit hapetustila ja hapettumisen määrää voidaan käyttää. Termi hapetustila vastaa merkityksessään hapetuslukua ja sitä käytetään usein orgaanisessa kemiassa vertaamaan eri luokkien aineita niiden hapetustilan suhteen, esim. B. seuraavien väitteiden kanssa: Karboksyylihapot ovat samassa hapetustilassa kuin karboksyylihappoesterit ja muut rakenteellisesti vastaavia johdannaisia, karboksyylihappojen, kuten. B. myös karboksyylihappoklorideja . Kuitenkin karboksyylihapot ja niiden johdannaiset ovat korkeammassa hapetustilassa kuin aldehydit ja alkoholit ja alhaisemmassa hapetustilassa kuin hiilidioksidi .

Vertaamalla hapetuslukuja näet nopeasti, että ensisijaisen alkoholin muuttaminen aldehydiksi ja myös aldehydin muuttaminen karboksyylihapoksi ovat molemmat hapettumia .

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {-1} {C}} H_ {2} OH}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {+1} {C}} HO}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {+3} {C}} OOH}}$
Etanoli	asetaldehydi	etikkahappo

Eri hiilivetyjen tapauksessa hiiliatomien erilaiset hapetustilat tulevat selväksi.

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-4} {C}} H_ {4}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {-3} {C}} H_ {3}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {-2} {C}} H_ {2} {\ mathord {-}} {\ yliasetettu {-3} {C}} H_ {3}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {-3} {C}} H_ {3} {\ mathord {-}} {\ overset {-1} {C}} H {\ mathord {=}} {\ overset {-2} {C}} H_ {2}}}$
metaani	Etaani	propaani	Propeeni

Erityiset hapetusluvut

Hapetusluvut voivat myös ottaa murto -arvoja. Niin on z. B. hyperoksidissa KO ₂ ( kaliumhyperoksidi ) molempien happiatomien hapetusluku on -0,5. Niiden hapetustila eroaa happiatomien hapetustilasta normaaleissa peroksideissa , jotka sisältävät peroksidianionin O ₂ ²⁻ tai peroksiryhmän – O - O– ja happea hapetustilassa −1.

Kun Fe ₃ O ₄ ( rauta (II, III) oksidi ), rauta on keskimääräinen hapetusaste + ⁸ / ₃ . Nimi roomalaisilla numeroilla luetellut hapetustilat osoittavat, että tässä yhdisteessä on rautaatomeja hapetustilassa +2 ja +3. Fe ^II Fe ₂ ^III O _4: llä on käänteinen spinellirakenne (yksinkertaistettu: FeO · Fe ₂ O ₃ ) ja muodolliset Fe ²⁺ ja Fe ³⁺ -ionit voidaan lokalisoida.

Keskimääräinen hapetusaste + 2 rikki lasketaan summasta kaava tiosulfaatti anionin (S ₂ O ₃ ^2- ,). Anionin rakenne osoittaa kuitenkin, että kaksi rikkiatomia on täysin erilaisissa sidossuhteissa, ja erilaiset hapetustilat +5 ja -1, kuten rakenteesta voidaan päätellä. Keskimmäinen ja kaksi erillistä hapetustilaa soveltuvat stökiometrisiin laskelmiin ja redoksireaktioiden muodostamiseen. Tiosulfaattianionia ei saa sekoittaa disulfaattianioniin , jossa S -atomit ovat korkeimmassa mahdollisessa hapetustilassa +6, kuten normaalissa sulfaattianionissa .

${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+1} {K_ {2}}} {\ overset {-1} {O_ {2}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+1} {K}} {\ overset {-0.5} {O_ {2}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+2} {Fe}} (II) {\ overset {+3} {Fe_ {2}}} (III) {\ overset {-2} {O_ {4}} }}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+ {\ frac {8} {3}}} {Fe_ {3}}} {\ overset {-2} {O_ {4}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {{\ overset {+2} {S_ {2}}} {\ overset {-2} {O_ {3} ^ {2-}}}}}$	${\ displaystyle \ mathrm {({\ overset {-2} {O_ {3}}} {\ overset {+5} {S}} {\ mathord {-}} {{\ overset {-1} {S} }) ^ {2-}}}}$
Kaliumperoksidi	Kaliumhyperoksidi	Rauta (II, III) oksidi, jolla on erilliset hapetustilat	Rauta (II, III) oksidi, jolla on keskimääräinen hapetustila	Tiosulfaatti -ioni , jonka hapetustila on väliaikainen	Tiosulfaatti -ioni, jolla on erilliset hapetustilat

Alhaisin tunnettu atomin hapetustila molekyylissä on −4 ( hiiliryhmän alkuaineille ), korkein +9 ([IrO ₄ ] ^+: ssa iridiumille ).

Hapetuslukujen määrittäminen

Pääsäännöt

Elementtien, epäorgaanisten ja orgaanisten, neutraalien tai ionisten yhdisteiden hapettumisluvut voidaan määrittää seuraavien sääntöjen avulla tai tarkistaa määrityksen jälkeen:

1. Neutraalin tai varautuneen yhdisteen kaikkien atomien hapetuslukujen summan on oltava täsmälleen yhtä suuri kuin yhdisteen varaus. Tästä seuraa jo seuraavat säännöt.
2. Atomi- ja molekyylielementtien atomeilla on aina hapetusluku 0. Esimerkkejä: Li, Mg, B, C, O ₂ , P ₄ , S ₈ , I ₂ , Ar. Hapetusluku 0 voi johtua myös atomien määrittämisestä yhdisteissä, joissa on muita alkuaineita (esimerkki C, katso alla).
3. Tapauksessa atomi ionin hapetus numero vastaa ionin varaus . Esimerkiksi Cu ²⁺ -kationissa kuparin hapetusluku on +2. Anionissa Cl ^- kloorin hapetusluku on -1).
4. Polyatomisen neutraalin yhdisteen kaikkien atomien hapetuslukujen summa on 0.
5. Moniatomisen ionin kaikkien atomien hapetuslukujen summan on oltava yhtä suuri kuin ionin kokonaisvaraus.
6. Kovalenttisilla sidoksilla formuloitujen orgaanisten yhdisteiden tapauksessa valenssilinjakaavoissa (Lewisin kaavat) yhdiste voidaan muodollisesti jakaa ioneiksi elektronegatiivisuuden perusteella siten, että kaikkien atomien hapetusluvut voidaan määrittää. Muodollinen jako olettaa, että sidokseen osallistuvat elektronit ovat täysin elektronegatiivisemman atomin vallassa (katso esimerkki alla)

Hyödyllistä lisätietoa

1. Useimmat elementit voivat esiintyä useissa hapetustilassa.
2. Alkuaineen suurin mahdollinen hapetusluku vastaa jaksollisen taulukon (PSE) suurten tai sivuryhmien lukumäärää .
3. Fluori atomi (F) osana, jolla on korkein elektronegatiivisuus kaikki yhteydet aina hapettumisen numero -1.
4. Hapen, joka on erittäin suuren elektronegatiivisuuden elementti, hapetusluku on –2 lähes kaikissa yhdisteissä. On kuitenkin kolme tärkeää poikkeusta: Peroksideissa O -atomeilla on hapetusluku −1 ja hyperoksideilla hapettumisluku −0,5. Fluorin ( happidifluoridin ) yhteydessä hapen hapetusluku on +2.
5. Fluorin lisäksi muiden halogeeniatomien kloorin , bromin ja jodin hapetusluku on aina −1 orgaanisissa yhdisteissä ja enimmäkseen epäorgaanisissa yhdisteissä. On kuitenkin monia poikkeuksia, kuten happipitoiset yhdisteet ( halogeenioksidit ) tai yhdisteet toistensa kanssa, halogeeniväliset yhdisteet , joiden halogeeni on korkeampi jaksollisessa taulukossa .
6. Ioniyhdisteiden metalliatomeilla on aina positiivinen hapetusluku.
7. Alkalimetallien hapetusluku on aina +1 ja maa -alkalimetallien aina hapetusluku +2.
8. Vetyatomeilla on aina hapetusluku +1, paitsi jos on yhdistetty vety, jossa on "elektropositiivisia" atomeja, kuten metalleja ( hydridejä ).
9. Pintojen hapettumistasoja voidaan tutkia kokeellisesti esimerkiksi fotoelektronispektroskopialla (XPS). Hapettumistila näkyy kunkin elementin päälinjan ominaismuutoksella.

Määrittäminen jakamalla elektronegatiivisuuden perusteella

Määrittää hapetusaste on yhdiste, sitova elektronipareja on osoitettu enemmän elektronegatiivisen sitoutumispartneri (muodollinen heterolyyttisen pilkkominen ). Samojen atomien väliset sitoutuvat elektroniparit jaetaan (muodollinen homolyyttinen katkaisu ). Elementtien muunnoksissa olevien atomien hapetusluku on siis nolla.

Jos molekyylillä on Lewisin kaava , orgaanisten yhdisteiden hapettumisluvut voidaan määrittää sidoksiin osallistuvien alkuaineiden elektronegatiivisuuksista. Seuraava sääntö koskee sidokseen liittyviä atomeja: sidoksen elektronit on osoitettu atomille, jolla on suurempi elektronegatiivisuus. Jos elektronegatiivisuus on sama, jakautuminen tapahtuu.

Oikealla oleva kuva esittää esimerkin menetelmästä 5-hydroksisytosiinimolekyylin atomien hapettumislukujen määrittämiseksi . Menetelmä hiiliatomille, jonka hapetusluku on ± 0, selitetään esimerkkinä. Tämä hiiliatomi muodostaa kolme sidosta naapuriatomeihin, yksinkertaiset sidokset typpeen ja vetyyn ja kaksoissidoksen viereiseen hiiliatomiin. Joukkovelkakirjoihin liittyvien elementtien elektronegatiivisuuksien vertailu antaa:

• Hiilen elektronegatiivisuus on 2,55. Typen elektronegatiivisuus on suurempi 3,04, ja siksi molemmat sitovat elektronit on osoitettu typelle.
• Vety, jonka elektronegatiivisuus on 2,2, on pienempi elektronegatiivisuus kuin hiili. Siksi molemmat sitovat elektronit on osoitettu hiilelle.
• Ylemmällä hiiliatomilla on sama elektronegatiivisuus kuin alemmalla hiiliatomilla ja siksi molemmilla hiiliatomeilla on yhteiset sidokseen osallistuvat elektronit. Koska se on kaksoissidos, molemmat hiiliatomit saivat kaksi elektronia.
• Jos lisäät alemman hiiliatomin elektronit, tässä hiiliatomissa on neljä sitovaa elektronia . Koska hiilellä elementtinä on myös neljä sitovaa elektronia, sen varaus ei ole muuttunut kuvitteellisen kohdistuksen vuoksi. Sen hapetusluku on siis: 0.

Vertailun vuoksi alin typpiatomi saa kuusi sitovaa elektronia kuvitteellisessa tehtävässä (kaksi kustakin kahdesta hiiliatomista ja kaksi vetyatomista). Typen elementtinä on kuitenkin vain kolme sitovaa elektronia. Koska elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, typpiatomilla olisi varaus −3 kuvitteellisen määrityksen mukaan, ja tämä on myös sen hapetusluku.

Tämän tarkistamiseksi kaikki tällä tavalla määritetyt hapetusluvut on lisättävä. Niiden summan on oltava nolla, jos koko molekyyli on varaamaton, tai sen on vastattava varausta, jos koko molekyyli on varautunut ioni.

Katso myös

• Luettelo kemiallisten alkuaineiden hapettumistiloista

Huomautukset

1. ↑ Väite voidaan tarkistaa vaikeuksin vain käyttämällä redoksiyhtälöitä, joissa ei näy hapetuslukuja jokaiselle atomille, koska myös stökiometriset kertoimet on otettava huomioon. Väite kuitenkin vastaa perussääntöä, joka on helppo tarkistaa, että stökiömetrisesti oikealla redoksireaktioyhtälöllä on oltava tasapainotettu laskeutumistasapaino

Yksilöllisiä todisteita

1. ↑ ^{a b} Merkintä hapetustilasta . Julkaisussa: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (”Gold Book”) . doi : 10.1351 / goldbook.O04365 Versio: 2.3 ..
2. ↑ Hans-Dieter Jakubke, Ruth Karcher (toim.): Lexicon of Chemistry , Spectrum Academic Publishing House, Heidelberg, 2001.
3. ↑ Brown, Le May: Kemia, oppikirja kaikille luonnontieteilijöille . VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26241-5 , s. 781 ff . 
4. ^ Karl-Heinz Lautenschläger, Werner Schröter, Joachim Teschner, Hildegard Bibrack, Taschenbuch der Chemie , 18. painos, Harri Deutsch, Frankfurt (Main), 2001.
5. ↑ Merkintä hapetusnumeroon . Julkaisussa: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (”Gold Book”) . doi : 10.1351 / goldbook.O04363 Versio: 2.3 ..
6. ^ Clayden, Greeves Warren, Wothers: Orgaaninen kemia . Oxford University Press Inc, New York 2001, ISBN 978-0-19-850346-0 , s. 35 f . 
7. ↑ Guanjun Wang, Mingfei Zhou, James T.Goettel, Gary G.Schrobilgen, Jing Su, Jun Li, Tobias Schlöder, Sebastian Riedel: Iridiumia sisältävän yhdisteen tunnistaminen muodollisella hapetustilalla IX . Julkaisussa: Nature . 514, 21. elokuuta 2014, s. 475-477. doi : 10.1038 / nature13795 .
8. ↑ Steve Ritter: Iridium Dressed To The Nines - Jaksotaulukko: IrO ₄ ⁺ on ensimmäinen molekyyli, jonka elementti on +9 hapetustilassa , Chemical & Engineering News , 2014.
9. ↑ XPS -laboratorioanalyysi hapettumistiloista - nanoAnalytics. Haettu 16. marraskuuta 2020 . 
10. ↑ Valosähköinen spektroskopia | Työryhmä prof. Tobias Reich. Haettu 16. marraskuuta 2020 . 

nettilinkit