Oxidationstal og elektronparbindinger December 2015

Transkript

1 idationstal og elektronparbindinger December 2015 idationstal og elektronparbindinger I redokemi findes en række simple regler, som gør det muligt at bestemme oidationstal for et atom i en kemisk forbindelse, ligegyldigt om der er tale om et molekyle eller en ion. Man kan betragte et oidationstal, som en ladning et atom ville have i en kemisk forbindelse, hvis man følger reglerne for tildeling af oidationstal. Der er dog ikke tale om en ægte ladning, men om en fiktiv ladning, som kan vise fordelingen af ladning i en kemisk forbindelse. Det interessante er dog ikke så meget tallet i sig selv, som atomet får tildelt, men ændringen i oidationstallet, som kan forekomme ved en kemisk reaktion. vis oidationstallene ændres ved en kemisk reaktion, er der nemlig tale om en redoreaktion, som er karakteriseret ved, at der udveksles elektroner imellem atomerne ved reaktionen. En redoreaktion kan opdeles i to processer, en oidation og en reduktion. I tilknytning hertil kan atomer oideres eller reduceres ved en redoreaktion. år der forekommer en kemisk reaktion, siger man, at 1. et atom i en reaktant oideres, hvis dets oidationstal er mindre i reaktanten end i produktet, hvor atomet findes. Det svarer til, at atomets oidationstal vokser ved reaktionen, eller udtrykt på en anden måde, at ændringen i atomets oidationstal er positiv. Under reaktionens forløb afgiver atomet elektroner til et andet atom. 2. et atom i en reaktant reduceres, hvis dets oidationstal er større i reaktanten end i produktet, hvor atomet findes. Det svarer til, at atomets oidationstal aftager ved reaktionen, eller udtrykt på en anden måde, ændringen i atomets oidationstal er negativ. Under reaktionens forløb optager atomet elektroner fra et andet atom. år et atom i en reaktion oideres, omtales dette med, at der sker en oidation. år et atom i en reaktion reduceres, omtales dette med, at der sker en reduktion. Men de to processer, oidation og reduktion, vil altid være knyttet sammen. Sker der en reduktion af et atom, vil der også være et atom som oideres. Derfor består en redoreaktion af begge processer. For at kunne afgøre om en kemisk reaktion kan betragtes som en redoreaktion, samt hvilke atomer som henholdsvis oideres eller reduceres, skal man derfor kunne bestemme oidationstal for de enkelte atomer i en kemisk reaktions reaktanter og produkter. egler for tildeling af oidationstal eglerne for tildeling af oidationstal 1 kan findes i de fleste gymnasiekemibøger 2. I det følgende angiver T oidationstal, og T(atomsymbol) betegner oidationstallet for det pågældende atom. 1. idationstallet for frie grundstoffer er 0. F er oidationstallet for chlor (l) i dichlor (l 2 ) lig med 0, det vil sige T(l)= 0. Et andet eksempel er, at T()= 0 i dihydrogen ( 2 ). 2. For en simpel ion er oidationstallet lig med ionens ladning. F er oidationstallet for chlor (l) i chlorid (l ) lig med -1, det vil sige T(l)= Et oidationstal skal strengt taget angives med et romertal, f IV for oidationstallet 4. Vi benytter dog de almindelige tal her, da udregningerne vil være nemmere at gennemskue for læseren. 2 eglerne er dog internationale, hvilket blandt andet fremgår af, at de kan findes i IUPA Gold Book ( Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 1

2 idationstal og elektronparbindinger December ydrogen har normalt oidationstallet 1 og oygen normalt -2. Undtagelser: a. idationstallet for hydrogen er 1, når er bundet til et mindre elektronegativt atom. b. idationstallet for oygen er positivt, når er bundet til fluor (F er mere elektronegativt end ). c. idationstallet for oygen er -1, når indgår i peroider, f T()=-1 i hydrogenperoid ( 2 2 ). 4. I en kemisk forbindelse er summen af alle atomers oidationstal lig med formelenhedens ladning. vis der er tale om en neutral forbindelse (ingen ladning), er den samlede sum af atomernes oidationstal lig med 0. F er oidationstallet for svovl (S) i svovldioid (S 2 ) lig med 4. Det kan udregnes på følgende måde: regel 3 T(S) + T() + T() = 0 T(S) + ( 2) + ( 2) = 0 T(S) = 4 ormalt vil man skrive: T(S) + 2 T() = 0 regel 3 T(S) + 2 ( 2) = 0 T(S) 4 = 0 T(S) = 4 eglerne anvendes til nemt at bestemme oidationstal for de fleste uorganiske forbindelser, f for sammensatte ioner. For at gøre udregningerne mere overskuelige, benyttes som betegnelse for oidationstallet for det atom, som skal bestemmes. er er et par eksempler: a) idationstallet af svovl i svovlsyre ( 2 S 4 ): 2 T() + T(S) + 4 T() = ( 2) = = 0 = 6 Det vil sige T(S) = 6. Eller skrevet med ord: idationstallet for svovl i svovlsyre er 6. b) idationstallet af nitrogen i nitrat ( 3 ): + 3 ( 2) = 1 6 = 1 = 5 Det vil sige, T() = 5. Eller skrevet med ord: idationstallet for nitrogen i nitrat er 5. c) idationstallet af nitrogen i ammonium ( 4 + ): = 1 = 3 Det vil sige, T() = 3. Eller skrevet med ord: idationstallet for nitrogen i ammonium er -3. d) idationstallet af chrom i dichromat (r ): ( 2) = = 2 = 6 Det vil sige, T(r) = 6. Eller skrevet med ord: idationstallet for chrom i dichromat er 6. eglerne tager ikke højde for tilfælde, hvor f hverken hydrogen eller oygen indgår i en kemisk forbindelse, som f salte som natriumchlorid (al ) og aluminiumsulfid (Al 2 S 3 ) og molekyler som phosphortrichlorid (Pl 3 ) og svovlheafluorid (SF 6 ). I sådanne tilfælde tages udgangspunkt i kemisk viden om, hvilke ioner det enkelte grundstof normalt findes som, eller hvilket atom, som er mest elektronegativt. Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 2

3 idationstal og elektronparbindinger December 2015 I ovenstående salte findes natrium som ionen a +, og derfor er T(a) = 1. Tilsvarende for chlor, der findes som ionen l, fås T(l) = 1. I aluminiumsulfid tages udgangspunkt i, at aluminium vil findes som ionen Al 3+, og heraf bliver T(Al) = 3. Svovl findes som ionen S 2, og heraf fås T(S) = 2. I de før omtalte molekyler, hvor der ikke indgår hydrogen eller oygen, giver reglerne heller ikke direkte mulighed for at bestemme oidationstal. I sådanne tilfælde kan man benytte samme fremgangsmåde, som normalt benyttes ved organiske forbindelser (se nedenfor). erved bliver T(l) = 1 og T(P) = 3 i phosphortrichlorid og T(F) = 1 og T(S) = 6 i svovlheafluorid (beregningen kommer efter næste afsnit). egler for tildeling af oidationstal i organiske forbindelser æsten alle organiske forbindelser, som man støder på i gymnasiet, er opbygget af grundstofferne carbon, hydrogen, nitrogen og oygen. Molekylerne bindes sammen af elektronparbindinger, hvor elektronerne deles således, at atomerne har en ædelgaslignende fordeling. For at tildele de enkelte atomer et oidationstal i organiske forbindelser, tages udgangspunkt i nedenstående regler. Før oidationstallene kan beregnes skal man dog huske på følgende: Atom Elektronegativitet 2,5 2,1 3,0 3,5 Elektroner i yderste skal Manglende elektroner i fht. ædelgasreglen Antal ikke-bindende elektronpar (normalt) Antal bindinger (normalt) I en elektronparbinding tildeles det meste elektronegative atom alle bindingens elektroner. F i en enkeltbinding mellem og i et organisk molekyler, tildeles -atomet begge elektronerne, og tildeles ingen elektroner, da carbon har en højere elektronegativitet en hydrogen. 6. I en elektronparbinding mellem to ens atomer, deles elektronerne i bindingen ligeligt mellem de to atomer. F i en tripelbinding mellem to atomer, tildeles hvert -atom 3 elektroner. 7. idationstallet for et atom i en organisk forbindelse beregnes herefter ud følgende formel, T(atom) = s (t + u) hvor s svarer til antal elektroner i yderste skal, t antal elektroner atomet har, efter at det har fået tildelt elektroner efter principperne i 5 og 6 u antal elektroner atomet har som ikke-bindende elektroner. Eller udtrykt i ord: idationstallet for et atom er lig med antallet af elektroner i yderste skal minus summen af antal elektroner, som atomet har fået tildelt i bindinger med andre atomer, og antal ikke-bindende elektroner. Læg mærke til, at en eventuel ladning ikke inddrages i beregningen. Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 3

4 idationstal og elektronparbindinger December 2015 Et eksempel. Bestem oidationstal for, og i ethanol. I bindinger mellem og tildeles begge elektroner (regel 5). I bindingen mellem og tildeles begge elektroner (regel 5). I bindingen mellem og tildeles begge elektroner (regel 5). I bindingen mellem og tildeles hvert atom en elektron (regel 6). elektroner En prik angiver en elektron i en elektronparbinding, mens er elektronpar som ikke indgår i binding. u kan oidationstal for, og udregnes. Man vil herved opdage, at de to carbonatomer vil få forskellige oidationstal. Dette skyldes, at de ikke er bundet til samme typer af atomer. Begge -atomer har to bindinger til -atomer til fælles, hvorfra de begge får tildelt begge elektroner i bindingerne. Desuden har de en binding imellem sig til fælles, hvori de deler de to elektroner i bindingen. arbonatom 1 (talt fra hydroygruppen) er bundet til et oygenatom, som er mere elektronegativt end, og derfor vil -atomet få tildelt - bindingens elektroner. Til gengæld er carbonatom 2 bundet til et hydrogenatom, som er mindre elektronegativt end, og derfor vil -atomet få tildelt begge - bindingens elektroner. Dette vil alt i alt give to forskellige oidationstal for de to -atomer i ethanol. Alle -atomer har samme oidationstrin. T( 1 ) = 4 (5 + 0) = 1 T( 2 ) = 4 (7 + 0) = 3 T() = 1 (0 + 0) = 1 T() = 6 (4 + 4) = 2 Ethanol kan oideres til ethanal. Laves samme undersøgelse af ethanal som for ethanol, vil man nemt kunne se, at oidationen sker ved carbonatom 1, mens 2 har samme oidationstal som i ethanol. elektroner T( 1 ) = 4 (3 + 0) = 1 T( 2 ) = 4 (7 + 0) = 3 T() = 1 (0 + 0) = 1 T() = 6 (4 + 4) = 2 Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 4

5 idationstal og elektronparbindinger December 2015 Af eksemplet ses, at ethanol oideres til ethanal, fordi carbonatom nr. 1 afgiver 2 elektroner. Der skal således forekomme et andet atom i reaktionen, som modtager elektronerne, og derfor bliver reduceret. I biologiske systemer optræder en række vigtige redoreaktioner, f fotosyntesen og respirationen. er sluttes med et eksempel på, hvordan oidationstallene bestemmes i nicotinamid-adenin-dinucleotid, som er en kemisk forbindelse, der indgår i flere redoreaktioner i biologiske systemer. Forbindelsen findes i to former. En oideret form, som betegnes AD +, og en reduceret form, som betegnes AD. Det er kun et udsnit af strukturerne, som tegnes i eksemplet. + + elektroner + AD + ( er en større carbonkæde, men første atom er et -atom) oidationstal beregnes For alle -atomer: T()= 1 For begge -atomer: T()= -3 For -atomet: T()= -2 -atomerne har forskellige oidationstal Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 5

6 idationstal og elektronparbindinger December 2015 elektroner AD ( er en større carbonkæde, men første atom er et -atom) oidationstal beregnes For alle -atomer: T()= 1 For begge -atomer: T()= -3 For -atomet: T()= -2 -atomerne har forskellige oidationstal Ud fra ovenstående tildeling af oidationstal, kan man se, at når AD + omdannes til AD, sker der en reduktion af to af -atomerne, mens resten af -atomerne ikke ændrer oidationstal. Endvidere sker der ingen ændring i oidationstallene for, eller. I biologiske systemer indgår AD + og AD i en række processer, hvor udveksling af elektroner er en afgørende del af processernes forløb. Et par eksempler er glycolysen, hvor AD + reduceres til AD, og respirationskæden, hvor AD oideres til AD +. Lad os nu vende blikket tilbage til de uorganiske molekyler phosphortrichlorid, Pl 3, og svovlheafluorid, SF 6. For at bestemme oidationstal i disse to forbindelser benyttes regel 5: hlor og fluor er halogener og mangler en elektron for at have opfyldt ædelgasreglen. Begge halogener er mere elektronegative end henholdsvis phosphor og svovl. Derfor tildeles l og F begge elektroner i bindingerne P-l og S-F. Dette svarer til, at chlor henholdsvis fluor modtager en elektron, hvorved de opfylder ædelgasreglen. Konsekvensen af denne ekstra elektron er, at T(l) = 7 8 = 1 og T(F) = 7 8 = 1. erefter kan oidationstal for henholdsvis phosphor og svovl beregnes ud fra regel 4: T(P) + 3 T(l) = 0 T(P) + 3 ( 1) = 0 T(P) 3 = 0 T(P) = 3 T(S) + 6 T(F) = 0 T(S) + 6 ( 1) = 0 T(S) 6 = 0 T(S) = 6 Keld ielsen, Anders A. sted og Birgit hristensen, Køge Gymnasium Side 6