Porovnání formálních nábojů a oxidačních stavů

Formální náboj i oxidační číslo jsou způsoby, jak počítat elektrony v molekulách. Jsou to velmi užitečné koncepty. Začněme s formálním nábojem. Dle jedné z jeho definic se jedná o hypotetický náboj, který bychom dostali, pokud by všechny elektrony ve vazbách byly sdíleny rovnoměrně. Ukážeme si to tady na elektronové struktuře methanolu. Jaký bude formální náboj na uhlíku? Musíme se podívat na elektrony ve vazbách, na kterých se podílí tento uhlík. Víme, že každá vazba se skládá ze dvou elektronů. Vazba mezi kyslíkem a uhlíkem se skládá ze dvou elektronů. Nakreslím tedy tyto dva elektrony. To samé platí pro vazbu mezi vodíkem a uhlíkem. Každá vazba se skládá ze dvou elektronů, takže můžu všude přidat tyto vazebné elektrony. Pro určení formálního náboje na uhlíku musíme zjistit počet valenčních elektronů, který má volný neutrální atom uhlíku. Asi si pamatujete, že uhlík má čtyři valenční elektrony, takže sem napíšu čtyřku. Od těch čtyř odečteme počet valenčních elektronů ve vázaném atomu, neboli počet valenčních elektronů, které má uhlík v našem elektronovém vzorci. A protože se bavíme o formálním náboji, předpokládáme, že všechny vazebné elektrony, jsou sdíleny rovnoměrně. Předpokládáme tedy kovalentní vazbu. Pokud máme dva elektrony a jednu vazbu a ty elektrony jsou sdíleny rovnoměrně, můžeme je rozdělit. Mohli bychom jeden elektron dát kyslíku a druhý elektron uhlíku v této vazbě. U vazby mezi uhlíkem a vodíkem můžeme udělat to samé. Máme dva elektrony a můžeme je rovnoměrně rozdělit. Můžeme dát jeden uhlíku a druhý vodíku. A tohle můžeme udělat úplně u všech vazeb. Rozdělit elektrony a to samé tady. Kolik valenčních elektronů vidíme nyní okolo uhlíku? Zvýrazním je. Tady je jeden, dva, tři, čtyři. To je počet valenčních elektronů uhlíku v našem vzorci. Takže čtyři minus čtyři je nula. Tento uhlík má formální náboj roven nule. Zvýrazním to. V této molekule je formální náboj uhlíku nula. Přesuňme se k oxidačním stavům. Mohli bychom jim také říkat oxidační čísla. Oxidační stav je hypotetický náboj, který bychom získali, pokud by vazebné elektrony byly přiděleny k elektronegativnějšímu atomu ve vazbě. Pojďme k elektronové struktuře methanolu a přiřaďme uhlíku oxidační stav. Opět se musíme soustředit na vazebné elektrony, takže je tu vyznačím. Víme, že každá vazba se skládá ze dvou elektronů. Dávám tedy do každé vazby dva elektrony. Jaký bude oxidační stav tohoto uhlíku? Nejdříve musíme vědět počet valenčních elektronů volného atomu. Už víme, že uhlík by měl mít čtyři valenční elektrony. Od čtyřky nyní odečteme počet valenčních elektronů ve vázaném atomu neboli počet valenčních elektronů, které má uhlík v našem vzorci. Nyní předpokládáme iontovou vazbu, takže budeme předstírat, že tato kovalentní vazba je iontová. Přiřadíme totiž všechny vazebné elektrony k elektronegativnějšímu atomu. Žádné sdílení. Vítěz bere vše. Elektronegativnější atom dostane všechny elektrony. Pojďme se podívat na hodnoty elektronegativity uhlíku a kyslíku. Víme, že kyslík je více elektronegativní než uhlík. Kyslík si vezme oba elektrony z vazby. Kyslík dostane oba elektrony. Nyní porovnejme hodnoty elektronegativity vodíku a uhlíku. Víme, že uhlík je o trochu elektronegativnější než vodík. Uhlík si tedy vezme oba dva elektrony, jelikož je elektronegativnější než vodík. To samé platí pro ostatní vazby mezi uhlíkem a vodíkem. Uhlík je více elektronegativní než vodík, takže bere vše. Uhlík je více elektronegativní než vodík, takže si je vezme. Takže kolik elektronů máme na uhlíku teď? Spočítejme je. To je jeden, dva, tři, čtyři, pět, šest. Máme šest elektronů okolo uhlíku. Čtyři minus šest je minus dva. V tomto případě má uhlík oxidační stav minus dva. Pokud počítáte oxidační stav, neplatí žádné sdílení elektronů. Najděte elektronegativnější atom a přiřaďte k němu oba vazebné elektrony. Formální náboj i oxidační stav jsou jen velmi krajní případy. Je to takové elektronové účetnictví. Určitě nejsou perfektní. Předpokládáme, že elektrony jsou buď sdíleny zcela rovnoměrně, nebo že si jeden atom vezme oba elektrony. Žádný z těchto konceptů neplatí zcela v reálném světě, ale jsou užitečné při kreslení elektronových struktur a pochopení chemických reakcí.