Il numero di ossidazione in chimica organica

Nella Chimica inorganica l’ossidazione viene definita in due modi: perdita di elettroni o aumento del numero di ossidazione da parte di un atomo o di uno ione.

L’atomo che viene ossidato raggiunge uno stato di ossidazione più elevato ed il suo numero di ossidazione varia di conseguenza. L’atomo, alla stato elementare possiede numero di ossidazione zero; la perdita di n elettroni lo rende più positivo e porta il suo numero di ossidazione a +n:

Feo → Fe2+ + 2e

Nell’ossidazione del ferro elementare a ferro ferroso, n è uguale a 2. Il numero di ossidazione passa da 0 a +2 con completo trasferimento di elettroni.

Nella Chimica organica queste considerazioni non sono sempre valide. Infatti solo alcune ossidazioni hanno un meccanismo che prevede un trasferimento di elettroni mentre molte altre non prevedono un diretto trasferimento di elettroni.

I legami che si incontrano nelle molecole organiche sono legami covalenti in cui gli elettroni sono condivisi tra atomi di carbonio e atomi di idrogeno, ossigeno, zolfo, azoto, alogeni, ecc. ed è difficile pensare di applicare ad essi le considerazioni sopra esposte.

Una razionalizzazione valida per studiare le ossidazioni organiche può essere fatta assegnando numeri di ossidazione differenti ai vari atomi di carbonio di una molecola in relazione al sostituente ad esso legato. Questo è possibile assegnando all’atomo più elettronegativo tra i due atomi legati la coppia elettronica del legame covalente. Se si esamina il caso del carbonio che è l’elemento più importante nella Chimica organica, si può notare che il suo atomo allo stato elementare possiede quattro elettroni nella sfera elettronica più esterna, mentre l’atomo di carbonio nel metano possiede otto elettroni nella sfera elettronica più esterna ed ha numero di ossidazione diverso da zero. Nel legame tra atomo di carbonio, considerato atomo centrale, e atomo di idrogeno, l’idrogeno è più elettropositivo del carbonio e, di conseguenza, il doppietto elettronico viene assegnato a quest’ultimo.

Il numero di ossidazione dell’idrogeno è +1 dato che l’idrogeno ha visto allontanare da sé l’elettrone. Ogni sostituzione dell’atomo di idrogeno con un altro sostituente che, come l’idrogeno, è più elettropositivo dell’atomo centrale non fa variare il numero di ossidazione di quest’ultimo. Se, infine, l’elettronegatività del sostituente è uguale a quella dell’atomo centrale, il numero di ossidazione di quest’ultimo aumenterà di uno. Quanto detto può essere riassunto nel modo seguente:

Ogni atomo di carbonio in una molecola possiede un numero di ossidazione che deriva dalla somma dei seguenti valori per ognuno dei suoi quattro elettroni:

–                    Per ogni legame con atomi di idrogeno = -1

–                    Per ogni legame con atomi di carbonio = 0

–                    Per ogni legame con eteroatomi = +1

Sulla base di questa convenzione si possono scrivere i numeri di ossidazione del carbonio in alcune molecole raggruppate nelle classi funzionali più importanti.

Ad esempio consideriamo l’etanolo CH3CH2OH. Prendiamo in esame il primo carbonio : esso è legato a tre atomi di idrogeno e a un atomo di carbonio e pertanto avrà numero di ossidazione pari a ( 3 ) ( -1 ) + 0 = -3. Il secondo atomo di carbonio, invece è legato a due atomi di idrogeno, a un atomo di carbonio e a un atomo di ossigeno e avrà pertanto numero di ossidazione pari a ( 2 ) ( -1) + 0 – 1 = 1.

Come si è detto, ciascun atomo di carbonio in una molecola possiede un numero di ossidazione e la somma di questi numeri di ossidazione determina lo stato di ossidazione della molecola. Quando questa molecola si trasforma in un’altra si può determinare se è avvenuta un’ossidazione calcolando lo stato di ossidazione di quest’ultima. Si osservi ad esempio la trasformazione dell’etano in acido etanoico:

CH3CH3 → CH3COOH

Il numero di ossidazione di entrambi i carboni nell’etano è pari a -3 quindi lo stato di ossidazione della molecola è pari a -6. Nell’acido etanoico, invece il numero di ossidazione del primo carbonio è pari a -3 mentre il numero di ossidazione del secondo carbonio è pari a è +3 per cui lo stato di ossidazione della molecola è pari a zero. Nella trasformazione etano acido etanoico si passa da -6 a 0 e pertanto è avvenuta un’ossidazione. Formalmente il bilanciamento della semireazione di ossidazione è il seguente:

CH3CH3  + 2 H2O → CH3COOH + 6 H+ + 6 e

In tabella si possono trovare i numeri di ossidazione del carbonio in alcune classi di composti organici

 

 

 

 

 

alcani alcheni alchini Alogenuri alchiici, alcoli, eteri,nitrocomposti Dialogenuri, acetali , chetali Trialogenuri tetralogenuri AldeidiChetoni derivati *  aldeidi e chetoni Acidi carbossilici Derivati ** acidi, nitrili Derivati *** ac.carbonico Numero di ossidazione
CH4                       -4
RCH3                       -3
R2CH2 CH2=CH2   CH3X                 -2
R3CH RCH=CHR HCCH RCH2 X RCHX2               -1
R4CH R2C=CR2 RCCR R 2CHX CH2X2     HCOH HCYH       0
      R3CX RCHX2     RCOH RCYH       +1
        R2CX2 CHX3   RCOR RCYR HCOOH HCOXHCN   +2
          RCX3       RCOOH RCOXRCN   +3
            CX4         CO2COX2 +4

Immine, ossime, idrazoni e fenilidrazoni *

Alogenuri degli acidi, esteri , ammidi, anidridi, immidi **
Fosgene, cloroformiati, urea, uretani ***

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Author: Chimicamo

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