I numeri di ossidazione sono un metodo molto utile per semplificare la grande complessità della Chimica e permette a noi umani di riuscire a rappresentare meglio la natura delle sostanze.
INTRODUZIONE
Uno degli argomenti cardine di tutta la Chimica è senza ombra di dubbio il concetto di numero di ossidazione e tutto quello che ne consegue, grazie all’introduzione di questo argomento è possibile capire come mai avvengono certe reazioni chimiche e capiamo anche perchè certi composti sono più stabili di altri. Il concetto di numero di ossidazione ricopre tutta la Chimica e lo si incontra pressochè in ogni branca, dalla Chimica Organica, all’Analitica passando per l’Inorganica.
Il concetto di numero di OX. è relativamente giovane perchè come vedremo è strettamente legato all’elettrone il quale è stato scoperto poco più di 100 anni fa. Il termine ossidazione oppure stato di ossidazione risulta essere più vecchio della dicitura numero di ossidazione perchè i primi 2 termini indicavano semplicemente la “quantità” di Ossigeno presente all’interno di un composto. Oggigiorno usare stato di ossidazione oppure numero di ossidazione è come dire la stessa cosa, tranne che in rarissimi casi.
Nel termine numero di ossidazione rimane comunque il riferimento all’Ossigeno perchè è entrato nel linguaggio della Chimica perchè si riferisce ai processi elettrochimici, come vedremo l’Ossigeno gioca un ruolo centrale nel concetto di numero di ossidazione ma non è il protagonista, i protagonisti di questo articolo solo gli elettroni.
CHE COS’É IL NUMERO DI OSSIDAZIONE?
Per rispondere a questa domanda e per far capire al lettore di cosa stiamo parlando prendiamo come riferimento 2 molecole, HCl e Cl2.
Entrambe queste molecole presentano un legame covalente tra 2 atomi ma tale legame presenta delle differenze.
Cl2
Nella molecola di Cl2 i 2 atomi di Cloro condividono ciascuno un elettrone e questo permette di formare un legame che tiene uniti i 2 atomi. Data la condivisione, ciascuno di loro si trova ora con 8 elettroni nel guscio elettronico più esterno, o guscio di valenza, e la molecola risulta essere stabile. Sappiamo però che il Cloro è un elemento molto avido di elettroni perchè ha un’elettronegatività molto alta quindi tende a tirare verso di sè l’elettrone dell’altro atomo con il quale sta facendo il legame covalente. L’altro atomo di Cloro tenderà a sua volta a tirare dalla sua parte l’elettrone dell’altro Cloro.
La situazione è quindi che entrambi gli atomi cercano di tirare l’elettrone condiviso dell’altro, essendo ovviamente i 2 atomi identici, sono appunti entrambi Cl, nessuno dei 2 riuscirà a prevalere sull’altro e quindi gli elettroni del legame covalente resteranno equamente distribuiti tra i 2 atomi. Immagina di tirare la fune in una direzione e un tuo amico la sta tirando nella direzione opposta ma applicando la stessa identica forza, cosa succede? Nessuno dei 2 si muove e la situazione è di totale equilibrio anche se in gioco ci sono delle forze.
Le frecce rosse tirano in direzione opposta ma siccome hanno la stessa forza si annullano, questo fa sì che la nuvola elettronica che circonda i 2 atomi non venga disturbata, assistiamo quindi a una distribuzione equilibrata.
HCl
La molecola di acido cloridrico è leggermente diversa rispetto al caso di prima, stiamo sempre considerando 2 atomi ma non più dello stesso elemento. In questo caso il legame covalente non è più ugualmente “distribuito” tra i 2 atomi ma c’è un leggero spostamento verso l’atomo di Cl.
Il Cloro e l’Idrogeno hanno un’elettronegatività diversa, la differenza è di 0,95, e il Cloro risulta essere quello più elettronegativo tra i 2. Cosa significa questo?
Cl essendo più avido di elettroni tratterà verso di sè per più tempo l’elettrone condiviso da H. Questo farà sì che la nuvola elettronica che circonda il Cloro diventi più ricca di elettroni e quindi assumerà una parziale carica negativa mente la nuvola elettronica di H sarà più povera di elettroni e di conseguenza avrà una leggera carica positiva.
OK, cosa c’entra questo con il numero di ossidazione?
L’elettrone di H è ancora suo ma ora passa più tempo intorno a Cl. Possiamo immaginarci per assurdo che questo legame covalente diventi un legame ionico dove l’elettrone di H venga letteralmente preso da Cl, se così fosse ci troveremmo davanti a uno ione H+ e uno Cl–, in questo caso l’atomo di H avrebbe una carica positiva (+1) mentre Cl avrebbe una carica negativa (-1). Ovviamente questa è solo una costruzione umana per semplificare la realtà, l’elettrone di H è ancora suo e il legame che lega H e Cl è di tipo covalente e non ionico.
Il concetto di numero di ossidazione è in sostanza quello di attribuire delle cariche fittizie ad un atomo quando fa parte di una molecola secondo l’elettronegatività degli atomi a cui è legato, in sostanza si tratta di convertire i legami covalenti in legami ionici e decidere chi si prendere gli elettroni di chi.
Il numero di ossidazione consiste nell’attribuire la carica che un dato atomo avrebbe, in base all’elettronegatività degli atomi coinvolti nel legame, come se tutti i legami che lo coinvolgono fossero ionici.
Per la molecola di HCl vista prima possiamo quindi dire che H ha numero di OX. pari a +1 mentre Cl ha un numero di OX. di -1, ovviamente la somma dei numeri di ossidazione deve essere uguale alla carica totale della molecola\ione che stiamo considerando.
Per la molecola di Cl2 invece non esiste nessuna separazione di carica e quindi non sarà possibile attribuire nessuna carica a nessun atomo, in questo caso si dice quindi che il numero di ossidazione dei 2 atomi di pari a 0.
NUMERI DI OSSIDAZIONE RICORRENTI
Alcuni atomi hanno dei numeri di ossidazione che possiamo definire costanti e imparandoli a memoria è poi possibile attribuire il numero di ossidazione anche agli atomi che invece non hanno un numero fisso.
Di seguito sono rappresentati i numeri di ossidazione di alcuni gruppi di atomi e spiegheremo il perchè hanno questi numeri precisi.
Questa tabella è utile da imparare a memoria per velocizzare il calcolo del numero di ossidazione.
Gli Elementi
Tutti gli atomi nella loro forma elementare hanno un numero di ossidazione pari a 0, come abbiamo visto per la molecola Cl2 così vale per ogni altro elemento. Quando in una reazione chimica ci capita di incontrare per esempio Fe o K questo significa che questi elementi sono presenti nella loro forma elementare, metallica in questo caso, e quindi il numero di ossidazione è 0.
Metalli alcalini
Tutti gli elementi del gruppo 1 hanno sempre un numero di ossidazione pari a me +1 quando formano un composto. I metalli alcalini hanno un singolo elettrone nel guscio di valenza più esterno e l’unica cosa che possono fare per stabilizzarsi è quello di cedere l’elettrone per ottenere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino, per questo motivo hanno sempre carica +1.
Metalli alcalino terrosi
Anche in questo caso tutti gli elementi appartenenti al gruppo 2 presentano un numero di ossidazione sempre pari a +2 quando formano dei composti. Il discorso è analogo a quanto detto prima per i metalli alcalini, questi elementi possiedono solo 2 elettroni nell’orbitale elettronico più esterno e l’unica cosa che possono fare per stabilizzarsi è quella di perdere questi 2 elettroni per assumere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino. Perdendo 2 elettroni è come dire di aver acquistato 2 cariche positive quindi il numero di ossidazione è sempre +2.
Elementi del Terzo gruppo
Il discorso della perdita di elettroni per stabilizzarsi è ancora valido per tutti gli elementi del gruppo 3, tranne che per il Tallio (Tl), infatti questi elementi fanno prima a perdere i 3 elettroni che possiedono piuttosto che acquistarne 5 di elettroni per avere la configurazione elettronica esterna uguale a quella di un gas nobile. Perdendo quindi 3 elettroni il numero di ossidazione sarà quindi sempre di +3 quando questi elementi sono presenti all’interno di un composto.
F
Come sappiamo il Fluoro risulta essere l’atomo più elettronegativo di tutta la Tavola Periodica e questo vuol dire solo una cosa, il Fluoro non farà altro che prendere su di sè una carica negativa (-1). Ecco quindi che il Fluoro quando forma un composto ha solo numero di ossidazione pari a -1, nessun atomo riuscirebbe a strappare un elettrone al Fluoro.
H
L’Idrogeno è un elemento molto particolare e data la sua unicità presenta delle proprietà intermedie. Tra queste proprietà sicuramente non poteva mancare l’elettronegatività, infatti l’Idrogeno ha un elettronegatività di 2,2 su un massimo di 4. Cosa significa questo?
Quando l’H è legato ad atomi più elettronegativi di lui ovviamente assumerà una carica positiva (+1). Quali sono quindi gli atomi più elettronegativi di H? Tutti i non-metalli lo sono, quindi quando ci troviamo davanti a un legame [H-N.M.] l’atomo di H avrà un numero di ossidazione pari a +1. Può fare solo il +1 perchè H possiede solo un elettrone.
Ad H serve un altro elettrone per completare il guscio esterno e assumere la configurazione elettronica di He, per farlo dovrebbe acquistare un elettrone e può farlo se H è direttamente legato a un metallo. Composti come NaH o CaH2 esistono e vengono chiamati Idruri, sono abbastanza rari da incontrare e generalmente poco stabili. Per questo motivo di dice che l’Idrogeno ha sempre numero di ossidazione pari a +1 tranne nel caso degli idruri dove H ha numero di ossidazione pari a -1.
O
Eccoci arrivati all’elemento più problematico di tutti, l’Ossigeno. Data la sua elettronegatività molto grande riesce a fare diversi numeri di ossidazione, anche se il più importante è sicuramente il -2, valore che assume nel 99% dei casi.
- -2 = L’atomo di O ha intorno a sè 6 elettroni e per stabilizzarsi deve acquistare 2 elettroni così da arrivare a completare il guscio più esterno e stabilizzarsi. Acquistando 2 elettroni l’Ossigeno assume una carica di -2, quindi il suo numero di ossidazione è pari a -2 e corrisponde allo ione OSSIDO (O2-). Questo valore è il più comune per l’Ossigeno perchè è quello più stabile e l’Ossigeno farà di tutto per raggiungerlo.
- -1 = Nell’atmosfera l’Ossigeno non esiste come atomo singolo ma si trova come molecola biatomica, cioè come O2. É possibile far acquistare a ciascuno dei 2 atomi di O un elettrone ciascuno mantenendo comunque il legame tra i 2 atomi, cosa succede in questo caso? Se ogni atomo acquista individualmente un elettrone possiamo attribuire una carica -1 su ciascun atomo, ci troviamo davanti alla seguente disposizione: O22-. Questo ione viene chiamato ione PEROSSIDO e ogni Ossigeno ha un numero di ossidazione pari a -1.
- -0,5 = Sempre partendo dalla molecola di O2 è possibile questa volta far acquistare un singolo elettrone a tutta la molecola, questo elettrone andrà a dare una carica totale di -1 a tutta la molecola ma siccome la molecola è composta da 2 atomi è possibile dire che ogni atomo di O ha acquistare solo metà carica negativa, cioè -0,5. Ovviamente in Natura non esistono le frazioni di carica elementare ed è ovvio che solo uno dei 2 atomi di O avrà effettivamente accettato l’elettrone e quindi avrà una carica di -1 mentre l’altro atomo resta nel numero di ossidazione 0. Siccome i 2 atomi sono identici e non si sa bene quale dei 2 atomi abbia effettivamente l’elettrone è consentito dire che atomo ha acquistato mezza carica negativa. In questo caso siamo davanti allo ione SUPEROSSIDO (O2–). Questo numero di ossidazione è molto raro e composti che contengono ioni superossido sono molto reattivi e instabili.
- +1\+2 = L’ultimo caso che andremo ad esaminare è quello relativo ai legami tra O e F. Come detto prima il Fluoro è l’atomo più elettronegativo che esiste e riesce a “strappare” elettroni a qualsiasi altro elemento, Ossigeno compreso. Quando ci troviamo davanti a legami O-F sarà quindi il Fluoro ad assumere una carica negativa mentre l’Ossigeno per forza di cose dovrà avere una carica positiva. Se un atomo di O lega 2 atomi di F allora il numero di ossidazione di O sarà +2 mentre se ne lega solo 1 atomo di F avrà un numero di ossidazione di +1.
Tutti gli altri elementi
Per quanto riguarda i numeri di ossidazione di tutti agli altri elementi della Tavola Periodica, quando formano dei composti, è necessario di volta in volta andare a ricavarlo perchè un elemento può dare origine a più numeri di ossidazione e non è pensabile di ricordarsi a memoria tutti i numeri di tutti gli elementi.
Per capire come si ricava il numero di ossidazione di un atomo all’interno di un composto ho preparato questo articolo dove viene spiegato passo passo come fare:
–Come attribuire il numero di ossidazione a un composto
I NUMERI DI OSSIDAZIONE NON SONO TUTTI UGUALI
Nella tabella riassuntiva che abbiamo discusso nel paragrafo precedente sono stati illustrati gli elementi che hanno un singolo numero di ossidazione oppure ne hanno uno che è presenta quasi sempre. La domanda spontanea è chiedersi il perchè non tutti gli elementi hanno un singolo numero di ossidazione?
Prendiamo per esempio il Ferro, questo elemento si presenta nella forma elementare come un classico metallo color argenteo, duro e lucente. Se immergiamo un pezzo di metallo in acido cloridrico (HCl) la soluzione in poco tempo si colora, passando da trasparente a verde, e piano piano il pezzo di Ferro andrà ad assottigliarsi. La reazione chimica che avviene è una reazione che trasforma gli atomi di Fe in ioni Fe2+, si passa quindi da un numero di ossidazione di 0 a +2.
Una volta ottenuta la soluzione verde è possibile aggiungere dell’acqua ossigenata (H2O2) e la soluzione piano piano si colora di giallo, come mai? É avvenuta un’altra reazione chimica che trasforma gli ioni Fe2+ in ioni Fe3+, si passa dal numero di ossidazione di +2 a +3.
Tramite un’altra reazione è possibile trasformare ulteriormente lo ione Fe3+ in uno ione particolare, FeO42-, questo ione chiamato ione ferrato contiene il Ferro con un numero di ossidazione pari a +6, uno stato di ossidazione molto insolito per il Ferro e quindi molto reattivo.
Dunque questi sono i 4 numeri di ossidazione che il Fe riesce a fare. Notiamo che è possibile ricavare il numero di ossidazione dello ione ferrato solo se sappiamo quale numero bisogna assegnare a O e lo sappiamo in base alla tabella vista sopra.
Domandiamoci ora ” tutti i numeri di ossidazione sono stabili allo stesso modo? “
La risposta è NO. Alcuni numeri sono più stabili di altri, dipende tutto dalle condizioni a cui un dato numero di ossidazione è sottoposto.
Per esempio sappiamo che lasciando un pezzo di Ferro all’azione dell’atmosfera questo si ricopre di ruggine, un ossido dove è presento lo ione Fe3+. Se invece la nostra atmosfera al posto di essere debolmente ossidante fosse fortemente ossidante lo ione FeO42- sarebbe stabile.
Il tutto quindi dipende dalle condizioni esterne a cui il nostro composto è sottoposto. Giusto per curiosità nella nostra atmosfera il Ferro è stabile come ione Fe3+ e Fe2+, in Natura infatti non si trova mai lo ione ferrato mentre è molto raro trovare il Ferro nel suo stato elementare.
A COSA SERVE IL NUMERO DI OSSIDAZIONE
Abbiamo discusso a lungo ma in pratica a cosa serve saper determinare il numero di ossidazione di una specie?
Tutto questo serve principalmente per 2 motivi:
- Conoscendo le proprietà di un elemento in un dato numero di ossidazione è possibile prevedere quale sarà il comportamento di tale specie chimica in diversi contesti, in questo modo sarà possibile sfruttare queste informazione per ottenere composti con proprietà desiderate. Per esempio se ho bisogno di una vernice color giallo avrò bisogno di un composto che contenga lo ione Fe3+, che è appunto giallo, e non dello ione Fe2+ che risulta essere verde. Un altro esempio che è possibile fare riguarda le proprietà magnetiche di certi elementi le quali cambiano anche in base al numero di ossidazione.
- Conoscere il numero di ossidazione di una data specie chimica è indispensabile quando si parla di elettrochimica e in particolari di reazioni redox. Durante una reazione redox si ha un cambiamento del numero di ossidazione delle specie coinvolte e sapere da quale numero si parte ed a quale numero si arriva è il primo passo per riuscire a comprendere questa enorme classe di reazioni che sono appunto le redox.
Sono stati citati giusto i 2 principali motivi per cui imparare il numero di ossidazione è importante ma di esempi possibili ne esistono veramente tanti e spesso anche inaspettati.
