Степен на окисление на въглерода

В това видео ще се запознаеш със степените на окисление на въглерода в няколко различни молекули. В предходното видео вече се запозна с определението за степен на окисление и как да я изчислим. Така че нека направо да започнем с молекулата на метана и да намерим степента на окисление на въглерода и метана. В този случай ще използваме общ химичен подход, в който знаем, че водородът има степен на окисление плюс 1. В метана има 4 водородни атома, което прави плюс 4. Общият сбор за цялото съединение трябва да е 0, затова степента на окисление на въглерода трябва да бъде минус 4, тъй като имаме само един въглероден атом в това съединение. Можем да проверим този резултат и със структурната формула на молекулата. Запомни, че когато смятаме степента на окисление, използвайки структурната формула, това, което ни интересува, са електронните връзки. Всяка една от тези връзки се състои от два електрона, затова нека да поставим тези електрони за всяка една от връзките. Когато смятаме степента на окисление на въглерода, винаги започваме с броя на валентните електрони на свободния въглероден атом, или с броя на валентните електрони, които въглеродът по принцип има. Знаем, че по принцип въглеродът има 4 валентни електрона, затова от това число изваждаме броя на валентните електрони на свързания атом, или броя на валентните електрони, които въглеродът има в тази структурна формула. Тук трябва да мислим за тези ковалентни връзки като за йонни, така че по-електроотрицателният атом ще вземе всички електрони във връзката. Затова трябва да помислим за разликата в електроотрицателността на въглерода и водорода. Кой от тях е по-електроотрицателен? Знаем, че въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, затова двата електрона в тази връзка тук ще отидат при въглерода. Въглеродът ще "сграбчи" електроните в тази връзка. Същото ще се случи и с другите въглеродо-водородни връзки. Въглеродът е по-електроотрицателен, затова той привлича тези електрони. И това важи за всички връзки в съединението. От структурната формула става ясно, че въглеродът сега е заобиколен от 8 електрона. Нека ги преброим: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. 4 - 8 е равно на минус 4 . Ние вече знаехме, че степента на окисление на въглерода ще бъде минус 4. Нека преминем към другата молекула. Това е етен, или етилен (C2H4). Каква е степента на окисление на тази молекула? Водородът трябва да има степен на окисление +1 и ние имаме 4 водородни атома, което прави общи плюс 4. Затова общата степен на окисление на въглерода трябва да е минус 4, тъй като степента на окисление на цялата молекула е 0. Този път обаче имаме два въглеродни атома, затова минус 4 се разделя на 2, което дава минус 2. Следователно всеки от въглеродните атоми има степен на окисление от минус 2. За да проверим това, нека да обозначим електроните във връзките и да пресметнем степента на окисление на въглерода по тази формула. След като поставихме електроните във връзките, нека да изберем един от въглеродните атоми, с който да започнем. Да започнем с въглеродния атом отдясно. Като имаме предвид разликите в електроотрицателността, знаем, че въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, затова той ще открадне тези електрони. Същото това важи и за другия въглероден атом. Той е по-електроотрицателен, затова ще открадне тези електрони. Когато стигнем до тази двойна връзка тук, между двата въглерода, имаме 4 електрона. Искаме да сравним електроотрицателността на въглерод с друг въглерод, и е ясно, че тя ще е една и съща. Затова тези 4 електрона се разделят по равно, тъй като и двата въглеродни атома имат една и съща електроотрицателност. Взимаме тези 4 електрона и ги разделяме на половина. 2 електрона за единия въглерод и 2 електрона за другия. По принцип въглеродът има 4 валентни електрона. Използваме формулата тук за степен на окисление, която е равна на броя на валентните електрони, които въглеродът по принцип има, минус броя на валентните електрони около въглерода, изобразен на структурната формула. Нека ги преброим, след като сме взели предвид електроотрицателността им. Това са 1, 2, 3, 4, 5 и 6. 4 - 6 дава степен на окисление на въглерода от минус 2, същият резултат от нашите предходни изчисления. Припомни си, че всеки от въглеродните атомни в това съединение трябва да има степен на окисление минус 2. Затова нека да погледнем и въглерода от лявата стана. Набързо можем да разделим електроните и да направим същите изчисления. 4 - 6 ни дава минус 2. Сега можем да потвърдим, че и двата въглерода в съединението имат степен на окисление от минус 2. Следващият пример е формалдехидът (CH2O). Знаем, че степента на окисление на кислорода е минус 2. И тъй като имаме само един кислороден атом, тук имаме общо минус 2. Водородът има обикновено степен на окисление +1, а тук имаме два водородни атома, тоест +2. Дотук общо имаме сбор от 0, следователно в тази молекула въглеродът трябва да има степен на окисление 0. Можем да проверим това и като използваме структурната формула на молекулата. Поставяме електроните във връзките, за да ни е по-лесно да намерим степента на окисление. Първото нещо, за което трябва да помислим, е електроотрицателността. Знаем, че въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, затова той взима тези електрони. Същото се отнася и до тези връзки тук. Сега обаче трябва да сравним въглерода и кислорода. Знаем, че кислородът е по-електроотрицателен от въглерода, затова кислородът ще вземе всички електрони – всички от тези 4 електрона във двойната връзка. Когато изчисляваме степените на окисление, метафорично казано победителят взима всичко. И тъй като кислородът е по-елетроотрицателен, той взима всички тези електрони. Тук става ясно, че въглеродът е заобиколен от 4 електрона – 1, 2, 3, 4. Въглеродът по принцип има 4 валентните електрона около себе си и тук той е заобиколен от 4 електрона. След като сме взели предвид електроотрицателността, имаме 4 минус 4, което е равно на степен на окисление 0. Следователно в молекулата на формалдехида въглеродът има степен на окисление 0. Този резултат е същият като нашите изчисления тук. Нека сега да погледнем и кислорода. Казахме, че той трябва да има степен на окисление от минус 2. Кислородът в това съединение е ето тук. Колко валентни електрона има кислорода? Предвид позицията му в периодичната таблица трябва да има 6 валентни електрона. Колко са електроните около него, след като взехме предвид електроотрицателността? Те са 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, и 8. Следователно 6 минус 8 ни дава степен на окисление на кислорода от минус 2. Ами водородът? Водородът по принцип има 1 валентен електрон, но в това съединение има 0 електрона около себе си, защото въглеродът е по-електроотрицателен от него. 1 - 0 ни дава степен на окисление на водорода от плюс 1, точно както предвидихме тук. Тази формула може да се използва и за други атоми. Друг пример, който ще направим, е на мравчената киселина (CH2O2). Кислородът трябва да е минус 2, и имаме два от тях, което прави минус 4 общо за тях. Водородът е плюс 1, и имаме два, което прави общо плюс 2. Сборът на тези две числа трябва да е 0. Следователно степента на окисление на въглерода в молекулата на мравчената киселина е плюс 2. Да проверим това със структурната формула. Започваме с поставянето на всички електрони във връзките. Когато мислим за степента на окисление на въглерода, ние всъщност мислим за електроотрицателност. Въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, затова той взима тези два електрона в тази връзка. Но тук кислородът е по-електроотрицателен от въглерода, затова кислородът взима тези електрони и същото важи за връзките тук горе. Кислородът е по-електроотрицателен от водорода, затова той взима тези електрони. Каква е степента на окисление на въглерода в молекулата на мравчената киселина? Въглеродът по принцип има 4 валентни електрона, от които изваждаме броя на електроните около въглерода, след като сме отчели електроотрицателността. След като сме разгледали връзките като йонни, въглеродът има само 2 електрона. 4 - 2 ни дава степен на окисление на въглерода от плюс 2, точно както предвидихме тук. Както можеш да видиш от примерите до тук, степента на окисление на въглерода е различна. Можем да кажем, че той е уникален, тъй като има тези различни степени на окисление. Последният пример, който ще разгледаме, е въглеродният диоксид. Степента на окисление на кислорода е минус 2, и имаме два кислородни атома, което прави общо минус 4. Следва, че, въглеродът трябва да е със степен на окисление +4. Да проверим това, като използваме структурната формула ето тук. Започваме с поставянето на електроните във връзките. След това се пренасяме към електроотрицателността на атомите. Кислородът е по-електроотрицателен от въглерода, затова кислородът ще бъде този, който ще 'краде'. Всеки от кислородните атоми ще вземе електроните в тези връзки. Ще прерисувам това ето тук, за да ти покажа кислорода, заобиколен от всички тези електрони. Тези 4 електрона от двойната връзка тук отиват при този кислород отляво. Същото се отнася и за кислорода отдясно. Той има тези несподелени електрони двойки и е по-електроотрицателен от въглерода, затова взима и всичките тези електрони, което оставя въглерода с 0 електрона. За да намерим степента на окисление на въглерода, започваме с валентните електрони, които той по принцип има ---> 4, и валентните електрони, които има в съединението --> 0. 4 - 0 ни дава степен на окисление от +4, точно както предвидихме. Нека направим същия анализ и за кислорода. Той има 6 валентни електрона, а тук има 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Така че, 6 - 8 е минус 2 за степента на окисление на кислорода. Да се върнем към началото. Нека погледнем всички тези различни степени на окисление, които имахме за въглерода. Започнахме със степен на окисление от минус 4, след това имахме минус 2, и после имахме 0, след това плюс 2, а накрая имахме и плюс 4. Затова може да кажем, че въглеродът има степен на окисление в диапазон от минус 4 до плюс 4, и това важи за въглерод с 4 връзки. Всяка една стойност от този диапазон е вероятна. Например въглеродът може да има степен на окисление от плюс 3, въпреки че нямахме такъв пример в това видео.