W rzeczywistości teoretycznie prawie wszystkie pierwiastki można znaleźć zarówno z dodatnimi, jak i ujemnymi stopniami utlenienia: wystarczy znaleźć system z odpowiednimi odczynnikami i warunkami, aby go wymusić. Jeśli wyodrębnisz związki chemiczne, które mają bardzo tendencję do wykazywania określonego zachowania (przyjmowanie elektronów, oddawanie elektronów, koordynowanie jonów, uwalnianie grupy opuszczającej, wiązanie z metalami, uwalnianie protonu, przyjmowanie określonej cząsteczki geometria lub inne niezliczone właściwości), często można uzyskać dziwne wyniki, zderzając je z substancjami, które również mają tę samą tendencję, ale nie są tak silne. To często powoduje, że substancja o słabszym zachowaniu „działa odwrotnie”.

Pozwólcie, że podam żywy i powiązany przykład. Jak wszyscy wiemy , metale alkaliczne (pierwiastki z grupy 1) występują wyłącznie w postaci kationów o stopniu utlenienia +1, z wyjątkiem czystych metali, gdzie wynosi zero, dobrze ? Cóż, oto coś, co może zniszczyć Twój świat: większość metali alkalicznych (z wyjątkiem litu na razie) również tworzy alkalia , czyli stabilne sole zawierające dyskretne , wyraźnie obserwowane $ \ ce {Na ^ {-}} $, $ \ ce {K ^ {-}} $, $ \ ce {Rb ^ {-}} $ lub $ \ ce {Cs ^ {-}} $ aniony, przy czym metale alkaliczne wykazują stopień utlenienia -1.

Jak to się robi? Wystarczy znaleźć obojętną substancję o znacznie silniejszej skłonności do oddawania elektronu niż neutralny atom metalu alkalicznego (łatwiej powiedzieć niż zrobić). Ponieważ atomy obojętnych metali alkalicznych tworzą całkiem stabilne kationy po utracie elektronu, oznacza to, że należy szukać neutralnej substancji zdolnej do oddania elektronu i utworzenia kationu o wyjątkowej stabilności termodynamicznej i / lub kinetycznej. Można to osiągnąć, na przykład, stosując kryptandy, które są cyklicznymi cząsteczkami zdolnymi do bardzo silnej koordynacji do kationów, na tyle silnej, że koordynują one nawet bardzo dobrze kationy metali alkalicznych. Kation krypto-skoordynowany jest na tyle stabilny termodynamicznie i kinetycznie, że aniony alkaliczne, które w przeciwnym razie byłyby wyjątkowo reaktywne, nie byłyby reaktywne na tyle w tym przypadku, aby natychmiast spowodować transfer ładunku zneutralizować ładunek ujemny.

Co zabawne, w rzeczywistości możliwe jest przygotowanie pojedynczego związku, który zawiera zarówno kationy, jak i aniony metali alkalicznych, czego przykładem jest $ \ mathrm {[Na (2,2,2- crypt)] ^ {+} Na ^ {- }} $, który zawiera kation sodu koordynowany przez kryptę i jako przeciwjon do anionu natride / sodide ($ \ ce {Na ^ {-}} $). Można sobie wyobrazić, że związek ten powstaje przez połączenie neutralnego atomu sodu ($ \ ce {Na ^ {0}} $) i neutralnego gatunku krypt i krypt $ \ mathrm {[Na (2,2,2- krypt)] ^ 0 } $. Jak Brian wspomina w komentarzach, ten ostatni gatunek jest w rzeczywistości elektrykiem, który można zapisać jako $ \ mathrm {[Na (2,2,2- crypt)] ^ {+} e ^ { -}} $ i uważany za sól, w której anion jest samotnym elektronem (!). Zarówno neutralny atom sodu, jak i elektrolit mają silną tendencję do utraty elektronu w reakcjach chemicznych, ale ta tendencja jest znacznie silniejsza w przypadku elektryka. W ten sposób elektrorek kończy swoją drogę, zmuszając swój bardzo luźno związany elektron do obojętnego atomu sodu, powodując, że neutralny atom sodu „działa w odwrotnej kolejności” i przyjmuje elektron zamiast go oddawać, w wyniku czego powstaje $ \ ce {Na ^ {-}} $ anion.

Ta tabela w Wikipedii jest o wiele bardziej kompletna niż większość dostępnych tam tabel „powszechnego stopnia utlenienia” i zawiera wiele ujemnych wartości utlenienia pierwiastków w tym żelazo! W przypadku wielu metali przejściowych ujemne stopnie utlenienia metali można osiągnąć stosując ligand karbonylowy ($ \ ce {CO} $), który usuwa gęstość elektronów z atomu metalu poprzez wiązanie wsteczne. To stabilizuje ujemne ładunki na atomie metalu, ponownie umożliwiając powstającym gatunkom przetrwanie z odpowiednim przeciwjonem.

Nicolau Saker Neto ma już doskonałą odpowiedź, ale nie wspomina o prawdopodobnie najczęstszym przypadku pierwiastka będącego zarówno anionem, jak i kationem: wodór

Wodór ma zwykle dodatni stopień utlenienia, ale w każdym z wodorków metali, takich jak wodorek sodu, przyjmuje ujemny stopień utlenienia.

W przeciwieństwie do niektórych, nie założyłbym się, że nie jest to powszechne. Spójrzmy na największe ciało w naszym systemie: Słońce. W jego centrum można znaleźć np. Trochę fluoru, który jest całkowicie zjonizowany. Nie jest to do końca to, do czego jesteśmy przyzwyczajeni w przypadku tego miłośnika elektronów.

Możemy również spojrzeć na przykład na górną atmosferę Tytana. Tutaj interakcje z polem magnetycznym Saturna są odpowiedzialne za powstawanie gatunków takich jak $ \ mathrm O ^ + $ lub prawie każdej zjonizowanej cząsteczki, jaką można sobie wyobrazić za pomocą $ \ mathrm C $, $ \ mathrm N $, $ \ mathrm O $ i $ \ mathrm H $.

Takie przykłady są wszędzie, tylko w naszym Układzie Słonecznym.

Większość lekcji z chemii wydaje się zapominać, że nasze „standardowe warunki pokojowe” są dalekie od będąc standardem w całym wszechświecie. Szkoda, ponieważ większość „zasad”, których uczymy się w liceum (i na niektórych uczelniach) opiera się na założeniu, że jesteśmy w tych standardowych warunkach i ukrywamy fakt, że obserwowane zachowanie chemiczne pierwiastków niekoniecznie jest nawet reprezentatywne dla co się stanie, gdy spojrzysz na cały wszechświat.

Masz rację, mówiąc, że jest to możliwe, ale nie powszechne. Dzieje się tak jako konsekwencja efektywnego ładunku jądrowego na atomie lub Z. eff i rozmiaru atomu. Z skuteczne, jeśli nie jesteś zaznajomiony, to koncepcja zwykle poruszana w chemii 2 jako okresowy trend. Jest to miara ładunku odczuwanego przez najbardziej zewnętrzny elektron. Oblicza się go, uwzględniając elektrony na wewnętrznych powłokach, które zasadniczo eliminują lub chronią zewnętrzny elektron przed odczuwaniem całego ładunku z dodatniego jądra. Jak można się spodziewać, sprawia to, że elektron jest łatwiejszy lub trudniejszy do usunięcia, powodując jonizację w zależności od Zeff. Mały promień atomowy powoduje, że bariera energetyczna jest wyższa, aby usunąć elektron, ponieważ elektron znajduje się bliżej jądra. Jeśli atom jest większy, łatwiej będzie usunąć zewnętrzny elektron, ponieważ jest on dalej od jądra. Gdy przesuwasz się po okresach układu okresowego od lewej do prawej i od niskiego do wysokiego, efektywny ładunek jądrowy rośnie. Kiedy poruszasz się po układzie okresowym od góry do dołu i od prawej do lewej, promień atomowy rośnie. Istnieją niewielkie zmiany w tym, czego można by się spodziewać po trendzie prostoliniowym, w zależności od rodzaju orbity, na której „rezyduje” elektron. Tutaj pokazane są dwa pojęcia: promienie atomowe i obraz Zeff.

Z obu tych koncepcji wynika:

1. P: Dlaczego niektóre atomy trudniej jest zjonizować do dodatniego ładunku?

   O: Zbyt duża energia jonizacji wymagana ze względu na dużą interakcję jądra z elektronem zewnętrznym.

2. P: Dlaczego niektóre atomy nie jonizują się do ujemnego ładunku?

   O: Elektrony osłaniają zbyt dużą część jądra, aby umożliwić wystarczającą interakcję, aby utrzymać inny elektron.

Pamiętaj, że dotyczy to normalnych codziennych reakcji i dlaczego niektóre pierwiastki znajdują się na Ziemi w takim stanie utlenienia. Gdy znajdziesz się w ekstremalnych środowiskach energetycznych, masz więcej możliwości.

Twoje początkowe założenie jest błędne - zarówno w wybranym przez siebie przykładzie, jak iw przedstawionej przez niego logice. Zajmijmy się najpierw logiką.

Najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem, który tworzy zarówno monoatomowy kation, jak i monoatomowy anion, jest wodór - chociaż prawdą jest, że protony są trudne do wychwycenia. Związki kwasowe zazwyczaj dysocjują na $ \ ce {H +} $ i resztę kwasu anionowego. Znana jest szeroka gama względnie stabilnych wodorków, w tym wodorek sodu, tetrahydridoborany, wodorek glinu, tetrahydrydoglinian litu i wiele innych.

Węgiel jest kolejnym pierwiastkiem, który często tworzy aniony i kationy, w zależności od mechanizmu. Na przykład reakcje $ \ mathrm {S_N1} $ i eliminacje $ \ mathrm {E1} $ zawierają kationowy związek pośredni z karbenu. W innym przykładzie kationowym zostały wygenerowane nieklasyczne kationy, takie jak kation norbonylu, jon karboniowy. Karbeni odnosi się tutaj do kationów powstałych przez usunięcie wiązania, a węgiel do tych, które powstają przez formalne dodanie wiązania do węgiel nasycony - w strukturach krystalicznych węgiel karbonowy wydaje się być związany z pięcioma różnymi resztami.

Ponadto wszystko sprowadza się do tego, jak izolowany musi być ładunek na określonym jonie. Często, jeśli obok tlenu generowany jest jon karbenowy, ważniejsza struktura rezonansowa zawiera wiązanie podwójne $ \ ce {C = O} $ i dodatni ładunek znajdujący się na tlenie, ale ma to mniejsze znaczenie fizyczne niż wyżej wymienione kationy karbenu.

A co z żelazem? Cóż, masz rację, że stany utlenienia $ \ mathrm {+ II} $ i $ \ mathrm {+ III} $ wraz z neutralnym $ \ pm 0 $ są najbardziej powszechne. Innym powszechnym i bardzo stabilnym związkiem żelaza jest pentakarbonyliron $ \ ce {[Fe (CO) 5]} $, który zawiera żelazo (0). Może reagować z wodorotlenkami w następujący sposób:

$$ \ ce {[Fe (CO) 5] + OH- -> [Fe (CO) 4 (COOH)] - -> [] [ - CO2] [Fe (CO) 4H] - -> [] [- H +] [Fe (CO) 4] ^ 2 -} $$

Ponieważ tlenek węgla jest obojętnym, dwuelektronowym donorem, podwójny ładunek ujemny w końcowym kompleksie utworzonym przez deprotonowanie pośredniego hydridotetrakarbonylironu (0) zawiera anion $ \ ce {Fe ^ 2 -} $. Formalnie rzeczywisty wyparty związek to węglan, a nie dwutlenek węgla. ^[1]

Odniesienie:

[ 1]: W. Hieber, W. Beck, G. Braun, Angew. Chem. 1960 , 72 , 795. DOI: 10.1002 / ange.19600722202.

Powodem, dla którego niektóre atomy są generalnie ujemne, a inne na dodatnich stopniach utlenienia, jest ich względna elektroujemność.

Dlatego pierwiastki o wysokiej elektroujemności (takie jak halogeny) prawdopodobnie staną się ujemnymi jonami atomowymi, a pierwiastki o niskiej elektroujemności (takie jak metale alkaliczne) prawdopodobnie staną się dodatnimi jonami atomowymi. Oczywiście pierwiastki o średnim poziomie elektroujemności (takie jak wodór i węgiel) można znaleźć zarówno na dodatnim, jak i ujemnym stopniu utlenienia.

Oczywiście w większości przypadków istnieją wyjątki. Metale alkaliczne mogą tworzyć jony ujemne, jak wyjaśniono w tej odpowiedzi, a halogeny mogą również tworzyć dodatnie jony atomowe.

Przykładem jest to widmo masowe bromku metylu, gdzie piki przy m / z 79 i 81 są spowodowane kationem bromu.