Układ okresowy ze stopniami utlenienia

Stopnie utlenienia i ładunki jonów

Ładunki jonów opisują prawdziwe jony, takie jak Na⁺ w soli kuchennej. Stopnie utlenienia to narzędzie rachunkowe, które działa dla każdego związku, także kowalencyjnych, w których nie ma jonów. W dwutlenku węgla, CO₂, węglowi przypisuje się +4, a każdemu tlenowi −2, mimo że nie ma jonu C⁴⁺. Stopnie utlenienia pozwalają śledzić elektrony w reakcjach redoks: atom, którego stopień utlenienia rośnie, ulega utlenieniu, a ten, którego stopień utlenienia maleje, ulega redukcji.

Zasady przypisywania stopni utlenienia

Pierwiastek sam w sobie, taki jak O₂ lub Fe, ma 0. Prosty jon ma stopień utlenienia równy jego ładunkowi. Fluor w związkach zawsze ma −1. Tlen zwykle ma −2, ale −1 w nadtlenkach, takich jak H₂O₂. Wodór zwykle ma +1, ale −1 w wodorkach metali, takich jak NaH. Metale grupy 1 mają +1, a metale grupy 2 +2. Stopnie utlenienia w związku obojętnym sumują się do 0, a w jonie wieloatomowym sumują się do ładunku jonu.

Tabela pokazuje tylko najczęstsze stopnie utlenienia. Tlen jest podany tylko jako −2, a gazy szlachetne jako 0, choć ksenon osiąga +2, +4 i +6 w swoich fluorkach. Dla pierwiastków superciężkich od meitnerium wzwyż nie są znane żadne wartości, więc ich pola pokazują kreskę.

Wzorce w całej tabeli

Dla pierwiastków grup głównych najwyższy dodatni stopień utlenienia zwykle równa się liczbie elektronów walencyjnych, a najbardziej ujemny tej liczbie minus 8. Azot, z 5 elektronami walencyjnymi, ma stopnie od +5 do −3, a chlor, z 7, jest podany od +7 do −1. Metale po lewej wykazują tylko wartości dodatnie: +1 dla grupy 1 i +2 dla grupy 2.

Metale przejściowe mogą używać elektronów d oprócz zewnętrznych elektronów s, więc wiele z nich ma kilka stopni utlenienia. Mangan jest podany z +2, +3, +4 i +7, a chrom z +2, +3 i +6. Ich zdolność do przechodzenia między stopniami utlenienia to jeden z powodów, dla których są dobrymi katalizatorami.

Przykład krok po kroku: mangan w KMnO₄

Manganian(VII) potasu, KMnO₄, jest obojętny, więc jego stopnie utlenienia muszą sumować się do 0. Potas jest metalem grupy 1, więc ma +1, a cztery atomy tlenu mają po −2, co daje −8. Zostaje +1 + Mn − 8 = 0, więc mangan ma +7, najwyższą podaną dla niego wartość. Ta sama metoda działa dla kwasu siarkowego, H₂SO₄: 2 × (+1) + S + 4 × (−2) = 0, więc siarka ma +6.