Saper calcolare il numero di ossidazione di ogni elemento in una molecola o in uno ione è di fondamentale importanza, quando si voglia dare il corretto nome ad una specie o si voglia bilanciare una reazione di ossido-riduzione.
Potremmo definire il numero di ossidazione come la carica che un elemento avrebbe se rompessimo tutti i legami tra gli elementi, assegnando gli elettroni di legame al solo elemento più elettronegativo.
Che significa? Prendiamo ad esempio l’acqua, composta da due atomi di H e uno di O (il quale ha un’elettronegatività maggiore di quella dei due atomi di H):
Se rompiamo i legami tra gli atomi, in entrambi i casi l’O riceverà gli elettroni (arrivando ad una carica pari a -2), ed ogni H ne perderà (arrivando ad una carica pari a +1). Diremo, quindi, che nell’acqua l’O ha numero di ossidazione -2 e l’H avrà numero di ossidazione +1.
Ogni volta che volessimo calcolare questo numero, dovremmo fare tutto questo??? Per fortuna, no!
Esistono delle semplici regole che, se applicate, permettono nella quasi totalità dei casi di ottenere il numero di ossidazione di ognuno degli elementi in una specie con poco sforzo. Diversi testi le riportano diversamente, per quanto riguarda l’ordine e il numero; la mia preferita consta di 7 regole, da applicare in ordine così come riportate qui di seguito.
PRIMA REGOLA: nelle sostanze elementari, il numero di ossidazione degli elementi è 0
Le sostanze costituite da elementi tutti uguali (come un pezzo di grafite C, la molecola di idrogeno H2, l’ozono O3, e così via) non hanno differenza di elettronegatività tra gli elementi, e pertanto nessuno di essi può guadagnare cariche nell’ipotetico processo di rottura dei legami.
SECONDA REGOLA: l’ossigeno ha numero di ossidazione pari a -2 (nei perossidi, invece, è -1)
Sebbene l’elemento più elettronegativo dell’universo sia il fluoro, quest’ultimo è molto poco diffuso – l’ossigeno, d’altro canto, è sia il secondo elemento più elettronegativo sia uno dei più diffusi: per questo motivo, è molto più utile dare una regola a quest’elemento. L’ossigeno ha la configurazione elettronica esterna 2s22p4, e ha quindi due posti vuoti per fare legami. Essendo quasi sempre più elettronegativo degli elementi cui si legherà, sarà lui ad avere numero di ossidazione negativo. Ha senso ricordare l’eccezione dei perossidi, composti come l’acqua ossigenata H2O2; qui gli atomi di ossigeno sono legati anche tra loro, e pertanto hanno un solo elemento legato da cui ricevere elettroni. Quindi, in questo caso avranno numero di ossidazione pari a -1.
TERZA REGOLA: l’idrogeno ha numero di ossidazione pari a +1 (negli idruri metallici, invece, è -1)
L’idrogeno ha un’elettronegatività intermedia tra i metalli e i non metalli. Essendo l’elemento più semplice e abbondante dell’universo, merita un posto di primo piano! La sua configurazione elettronica è 1s1, ovvero potrebbe chiudere il guscio ricevendo un solo elettrone in più da un elemento meno elettronegativo, oppure può perdere l’unico che ha – quando si lega ad un elemento più elettronegativo. Nella gran parte delle specie normalmente studiate, l’idrogeno è legato ad un non metallo, e pertanto sarà lui il meno elettronegativo e gli assegneremo un numero di ossidazione pari a +1. Solo negli idruri metallici (composti che contengono idrogeno ed un metallo), la presenza del metallo farà sì che il numero di ossidazione dell’idrogeno diventi -1.
QUARTA REGOLA: i metalli alcalini hanno numero di ossidazione pari a +1, i metalli alcalino-terrosi hanno numero di ossidazione pari a +2
L’elettronegatività cresce nella tavola periodica verso destra, quindi gli elementi a sinistra sono i meno elettronegativi di tutti. I metalli alcalini sono i membri del primo gruppo, e la loro configurazione elettronica esterna è ns1, Potendo perdere un solo elettrone, avranno quindi un numero di ossidazione pari a +1. Per una ragione praticamente identica, i metalli alcalino-terrosi avranno numero di ossidazione +2, in quanto la loro configurazione elettronica esterna è ns2 e possono quindi perdere due elettroni.
QUINTA REGOLA: molti elementi possono esibire diversi numeri di ossidazione
Potrebbe sembrare abbastanza inutile come regola, visto che non ci dice quali siano i numeri di ossidazione. Tuttavia credo che questa regola abbia una enorme utilità: ci aiuta a ricordare che non dobbiamo fidarci dei numeri di ossidazione che abbiamo calcolato, per un elemento, in una specie diversa da quella che stiamo studiando. A meno di avere una ragione per pensare che il numero di ossidazione si conservi da una specie all’altra, conviene sempre ricalcolarlo – prometto che sarà facile, ci mancano proprio le due regole che useremo di più!
SESTA REGOLA: la somma dei numeri di ossidazione di tutti gli elementi presenti in una molecola è pari a 0
Ogni volta che rompiamo un legame, uno dei due elementi riceverà un -1 e l’altro un +1 al proprio numero di ossidazione. Questo significa che, qualunque quantità di legami la molecola abbia da rompere, la somma dei numeri di ossidazione assegnati ad ogni elemento deve necessariamente avere somma pari a 0. È probabilmente la regola più usata; nei casi in cui abbiamo elementi diversi da O, H o un metallo della regola 4, questa regola ci aiuta a calcolare per differenza il numero di ossidazione dell’elemento mancante.
SETTIMA REGOLA: la somma dei numeri di ossidazione di tutti gli elementi presenti in uno ione è pari alla carica
Gli ioni, positivi o negativi che siano, sono specie in cui il numero di elettroni presenti non è pari al numero di protoni nei nuclei degli elementi. Per questo motivo, la somma dei numeri di ossidazione non può essere zero. La carica della specie è un indice di quanti elettroni siano presenti in più (ioni negativi) o in meno (ioni positivi) rispetto alla specie neutra da cui lo ione deriva. Come per la regola precedente, questa informazione ci può aiutare a calcolare il numero di ossidazione di un elemento diverso da quelli facili, per semplice differenza.
Vogliamo esercitarci? In un prossimo articolo proveremo a risolvere insieme un po’ di specie diverse… nel frattempo, possiamo anche usare un motore di ricerca e vedere se queste regole ci aiutano.
Bella la scienza, vero? Alla prossima!