Oxidatiegetallen (Oxidatietrappen) van atomen in moleculen en ionen
Blok 1: Definitie van oxidatiegetal (OT) en onderscheid tussen bindingstypen
Definitie
Het oxidatiegetal (OT) van een atoom binnen een molecule of ion beschrijft de formele lading die een atoom zou hebben indien de gezamenlijke elektronen uit elk bindend elektronpaar volledig zouden toebehoren aan het meest elektronegatieve element van dat paar. Het oxidatiegetal is een fictief concept in covalente bindingen, maar komt overeen met de werkelijke lading bij ionbindingen.
Belangrijke concepten
Covalente bindingen: In een covalente binding worden elektronen ongelijk gedeeld op basis van elektronegativiteit. Bij het toewijzen van oxidatiegetallen worden alle bindende elektronenparen volledig toegewezen aan het atoom met de hoogste elektronegativiteit in de binding. Dit levert een formeel (niet-reëel) oxidatiegetal.
Ionbindingen: In een ionaire binding stemt het oxidatiegetal overeen met de effectieve, reële lading van het ion, aangezien elektronen daadwerkelijk worden overgedragen.
Elektronegativiteit (EN): Dit is de mate waarin een atoom elektronen naar zich toe trekt in een chemische binding en is bepalend bij het toekennen van oxidatiegetallen in covalente systemen.
Fictief versus reëel OT: Covalente systemen vereisen de toepassing van bovenstaande verdeling voor OT. In ionaire systemen is het OT gelijk aan de lading van het ion.
Formules en berekeningen
Covalent: Voor elke binding: - *Identificeer het meest elektronegatieve element.* - *Wijs beide bindingselektronen aan dit element toe.* - *Het OT wordt dan: [INLINE EQUATION]OT = aantal valentie-elektronen (in vrije atoomtoestand) – aantal toegewezen elektronen (volgens bovenstaande regel)[/INLINE EQUATION].*
Ionair: - *[INLINE EQUATION]OT[/INLINE EQUATION] van een monoatomair ion = [INLINE EQUATION]ionlading[/INLINE EQUATION].* - Bijvoorbeeld: Na⁺ heeft [INLINE EQUATION]OT = +1[/INLINE EQUATION]; Cl⁻ heeft [INLINE EQUATION]OT = –1[/INLINE EQUATION].
Praktijkvoorbeelden
Covalente molecule: Water (H₂O) - O is elektronegatiever dan H. Beide O–H bindingsparen worden volledig aan O toegewezen. - O vindt zich omringd door 8 elektronen (6 eigen, 2 via de twee bindingen), H telkens door 0 (volgens de definitie). - [INLINE EQUATION]OT(O): 6 valentie–8 toegewezen = –2[/INLINE EQUATION]. - [INLINE EQUATION]OT(H): 1 valentie–0 toegewezen = +1[/INLINE EQUATION]. - Controle: Som OT’s = [INLINE EQUATION]2 × (+1) + (–2) = 0[/INLINE EQUATION].
Ionaire stof: Natriumchloride (NaCl) - Na⁺: [INLINE EQUATION]OT = +1[/INLINE EQUATION] (beantwoordt aan de reële lading). - Cl⁻: [INLINE EQUATION]OT = –1[/INLINE EQUATION].
Veel gemaakte fouten
Verwarren van OT met ionlading in covalente moleculen: Het toekennen van reële ladingen aan atomen in bijvoorbeeld HCl, terwijl H en Cl neutraal geladen blijven maar wel een verschillend OT bezitten.
Onjuist toewijzen bij gelijke atomen: In O₂ zijn beide atomen identiek; het OT is per definitie [INLINE EQUATION]0[/INLINE EQUATION], ondanks de dubbele binding.
Negeren van elektronegativiteit: Niet correct toewijzen van elektronenparen aan het meest elektronegatieve element resulteert in foutieve oxidatiegetallen, bijvoorbeeld in zwaveldioxide (SO₂).
Blok 2: Algemene regels voor het bepalen van oxidatiegetallen
Definitie
Het bepalen van oxidatiegetallen in complexe moleculen of samengestelde ionen geschiedt aan de hand van strikte toewijzingsregels. Deze regels zijn nodig om systematisch het OT van elk element te kunnen bepalen, inclusief het omgaan met bijzondere situaties en uitzonderingen.
Belangrijke concepten
Somregel: - Voor neutrale verbindingen: Som van alle OT’s = [INLINE EQUATION]0[/INLINE EQUATION]. - Voor meeratomige ionen: Som van alle OT’s = [INLINE EQUATION]ionlading[/INLINE EQUATION].
Elementaire stoffen: Alle atomen in hun standaard (elementaire) toestand hebben [INLINE EQUATION]OT = 0[/INLINE EQUATION] (bijvoorbeeld O₂, N₂, S₈, Cl₂).
Hydrogenium (H): Standaard [INLINE EQUATION]OT = +1[/INLINE EQUATION], behalve: - H₂ (elementair): [INLINE EQUATION]OT = 0[/INLINE EQUATION]. - Metaalhydrides (bijvoorbeeld NaH): [INLINE EQUATION]OT = –1[/INLINE EQUATION].
Oxygenium (O): Standaard [INLINE EQUATION]OT = –2[/INLINE EQUATION], behalve: - O₂ (elementair): [INLINE EQUATION]OT = 0[/INLINE EQUATION]. - In peroxiden (zoals H₂O₂): [INLINE EQUATION]OT = –1[/INLINE EQUATION]. - In verbindingen met fluor (zoals OF₂): [INLINE EQUATION]OT(O) = +2[/INLINE EQUATION].
Hoofdgroep-elementen: - Hoofdgroep 1 (alkalimetalen): [INLINE EQUATION]OT = +1[/INLINE EQUATION]. - Hoofdgroep 2 (aardalkalimetalen): [INLINE EQUATION]OT = +2[/INLINE EQUATION]. - Hoofdgroep 3 (boorgroep): [INLINE EQUATION]OT = +3[/INLINE EQUATION]. - Hoofdgroep 4–7: OT kan variëren tussen [INLINE EQUATION]0[/INLINE EQUATION] en [INLINE EQUATION](groepsnummer–8)[/INLINE EQUATION], afhankelijk van het type verbinding en de oxidatietoestand.
Hulpelementen: Sommige atomen kunnen meerdere OT’s aannemen, afhankelijk van de verbinding (zoals S in SO₂ [INLINE EQUATION]OT = +4[/INLINE EQUATION] versus SO₃ [INLINE EQUATION]OT = +6[/INLINE EQUATION]).
Formules en berekeningen
Algemene toekenningsregel: - [INLINE EQUATION]Som (OT₁ × aantal atomen₁) + (OT₂ × aantal atomen₂) + ... = lading van het molecule/ion[/INLINE EQUATION]. - Deze somregel wordt gebruikt om het onbekende OT van een element in een verbinding te berekenen wanneer de andere OT’s gekend zijn.
Specifieke uitzonderingen
Hydrogenium in hydrides: - In NaH: Na (hoofdgroep 1) → [INLINE EQUATION]OT = +1[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION](+1) + OT(H) = 0[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]OT(H) = –1[/INLINE EQUATION]
Oxygenium in peroxiden: - Voor H₂O₂: - [INLINE EQUATION]OT(H) = +1[/INLINE EQUATION] (standaard) - Somregel: [INLINE EQUATION]2 × (+1) + 2 × OT(O) = 0[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]OT(O) = –1[/INLINE EQUATION]
Oxygenium in OF₂: - Fluor is in alle verbindingen het meest elektronegatief, [INLINE EQUATION]OT(F) = –1[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION]OT(O) + 2 × (–1) = 0[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]OT(O) = +2[/INLINE EQUATION]
Praktijkvoorbeelden
Nitraation (NO₃⁻): - [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION] (standaard) - Laat het [INLINE EQUATION]OT(N) = x[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION]x + 3 × (–2) = –1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]x = +5[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]OT(N) = +5[/INLINE EQUATION]; [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION]
Zwavel in thiosulfaat (S₂O₃²⁻): - [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION] (standaard) - Laat de OT van de centrale S = [INLINE EQUATION]x[/INLINE EQUATION], de andere S = [INLINE EQUATION]y[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION]x + y + 3 × (–2) = –2[/INLINE EQUATION] - In de thiosulfaatstructuur (S–S): traditioneel [INLINE EQUATION]x = +6[/INLINE EQUATION] (gebonden aan 3 O’s), [INLINE EQUATION]y = –2[/INLINE EQUATION] (zoals bij S²⁻) - Controle: [INLINE EQUATION](+6) + (–2) + (–6) = –2[/INLINE EQUATION]
Veel gemaakte fouten
Overslaan van uitzonderingen: Het verkeerd toepassen van de standaardregels zonder oog voor situaties als peroxiden (O) of hydrides (H).
Verwisselen van groepsnummer en oxidatiegetal: Verkeerdelijk het groepsnummer direct als oxidatiegetal gebruiken, zonder rekening te houden met uitzonderingen.
Vergeten van de somregel bij ionen: Bij samengestelde ionen zoals SO₄²⁻ niet de totale lading in rekening brengen, waardoor men verkeerd uitkomt.
Mismatch tussen atoomsoort en standaard OT: Bijvoorbeeld fluor kiezen als +1 terwijl F altijd –1 is in verbindingen.
Samenvatting
Het oxidatiegetal (OT) reflecteert de formele lading die een atoom heeft na volledige toewijzing van bindende elektronen aan het meest elektronegatieve element.
In covalente bindingen vertegenwoordigt het OT een formalistische, niet-reële lading gebaseerd op elektronegativiteit; in ionbindingen stemt het overeen met de effectieve lading.
De som van de oxidatiegetallen in een neutrale molecule is altijd [INLINE EQUATION]nul[/INLINE EQUATION]; in een ion is dit gelijk aan de [INLINE EQUATION]ionlading[/INLINE EQUATION].
Belangrijke vaste OT’s gelden voor H ([INLINE EQUATION]+1[/INLINE EQUATION], metaalhydrides [INLINE EQUATION]–1[/INLINE EQUATION]), O ([INLINE EQUATION]–2[/INLINE EQUATION], peroxiden [INLINE EQUATION]–1[/INLINE EQUATION], in OF₂ [INLINE EQUATION]+2[/INLINE EQUATION]), fluor ([INLINE EQUATION]–1[/INLINE EQUATION]), alkalimetalen ([INLINE EQUATION]+1[/INLINE EQUATION]), aardalkalimetalen ([INLINE EQUATION]+2[/INLINE EQUATION]), boorgroep ([INLINE EQUATION]+3[/INLINE EQUATION]).
Oxidatiegetallen van hoofdgroep 4–7 elementen zijn variabel, afhankelijk van de verbinding; toepassing van de regels en uitzonderingen is essentieel.
Systematisch toepassen van bovenstaande principes wordt vereist bij complexe systemen en polyatomische ionen.
Oefenvragen
Bepaal alle oxidatiegetallen in dichroomtrioxide (Cr₂O₃). - [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION]2 × OT(Cr) + 3 × (–2) = 0[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]2 × OT(Cr) = +6[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]OT(Cr) = +3[/INLINE EQUATION]
Bereken de oxidatiegetallen van zwavel in Na₂SO₃ en Na₂S₂O₃. - Na₂SO₃: - [INLINE EQUATION]OT(Na) = +1[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION] - Somregel: [INLINE EQUATION]2 × (+1) + OT(S) + 3 × (–2) = 0[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]+2 + x – 6 = 0[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]x = +4[/INLINE EQUATION] - Na₂S₂O₃: - [INLINE EQUATION]2 × (+1) + x + y + 3 × (–2) = 0[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]x = +6[/INLINE EQUATION] (centraal S), [INLINE EQUATION]y = –2[/INLINE EQUATION] (terminal S)
Wat is het oxidatiegetal van stikstof in ammoniumnitraat (NH₄NO₃)? Geef een motivering. - [INLINE EQUATION]OT(H) = +1[/INLINE EQUATION] - NH₄⁺: [INLINE EQUATION]N + 4 × (+1) = +1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]N = –3[/INLINE EQUATION] - NO₃⁻: [INLINE EQUATION]N + 3 × (–2) = –1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]N = +5[/INLINE EQUATION] - Dus N komt zowel voor als [INLINE EQUATION]–3[/INLINE EQUATION] (in NH₄⁺) en [INLINE EQUATION]+5[/INLINE EQUATION] (in NO₃⁻)
In het molecuul ClO₃⁻, bereken het oxidatiegetal van chloor. - [INLINE EQUATION]OT(O) = –2[/INLINE EQUATION], somregel: [INLINE EQUATION]Cl + 3 × (–2) = –1[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]Cl – 6 = –1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]OT(Cl) = +5[/INLINE EQUATION]
Bepaal het oxidatiegetal van zwavel in peroxomonosulfaation (HSO₅⁻). - [INLINE EQUATION]OT(O)[/INLINE EQUATION] in peroxogroep: [INLINE EQUATION]–1[/INLINE EQUATION] (voor O–O bridge), [INLINE EQUATION]–2[/INLINE EQUATION] elders - Stel [INLINE EQUATION]OT(S) = x[/INLINE EQUATION], [INLINE EQUATION]OT(H) = +1[/INLINE EQUATION], [INLINE EQUATION]1 × (+1) + x + 4 × (–2) + 1 × (–1) = –1[/INLINE EQUATION] - [INLINE EQUATION]+1 + x –8 –1 = –1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]x –8 = –1[/INLINE EQUATION] ⇒ [INLINE EQUATION]x = +7[/INLINE EQUATION]
Antwoorden zijn volledig uitgewerkt en conform de gevorderde niveauvereisten.