En fait, en théorie, presque tous les éléments peuvent être trouvés avec des nombres d'oxydation positifs et négatifs: il s'agit simplement de trouver un système avec les réactifs et les conditions appropriés pour le forcer. Si vous isolez des espèces chimiques qui ont une tendance très forte à afficher un comportement spécifique (accepter des électrons, donner des électrons, coordonner des ions, libérer un groupe partant, se lier à des métaux, libérer un proton, adopter une molécule spécifique géométrie, ou toute autre myriade de propriétés), alors vous pouvez souvent obtenir des résultats étranges en les confrontant à des substances qui ont également la même tendance, mais pas aussi fortes. Cela amène souvent la substance au comportement le plus faible à "fonctionner en sens inverse".

Permettez-moi de donner un exemple vivant et apparenté. Comme nous le savons tous , les métaux alcalins (éléments du groupe 1) sont exclusivement présents sous forme de cations avec un indice d'oxydation de +1, sauf dans les métaux purs, où il est égal à zéro, droit ? Eh bien, voici quelque chose qui pourrait briser votre monde: la plupart des métaux alcalins (à l'exception du lithium, pour le moment) forment également des alcalides , c'est-à-dire des sels stables contenant des , clairement observé $ \ ce {Na ^ {-}} $, $ \ ce {K ^ {-}} $, $ \ ce {Rb ^ {-}} $ ou $ \ ce {Cs ^ {-}} $ anions, les métaux alcalins affichant un indice d'oxydation -1.

Comment cela se fait-il? Tout ce dont vous avez besoin est de trouver une substance neutre avec une tendance beaucoup plus forte à donner un électron qu'un atome de métal alcalin neutre (plus facile à dire qu'à faire). Étant donné que les atomes de métaux alcalins neutres forment des cations assez stables lors de la perte d'un électron, cela implique que vous devez rechercher une substance neutre capable de donner un électron et de former un cation avec une stabilité thermodynamique et / ou cinétique exceptionnelle . Ceci peut être réalisé, par exemple, par l'utilisation de cryptands, qui sont des molécules cycliques capables de se coordonner très fortement aux cations, assez fortement pour même très bien coordonner les cations de métaux alcalins. Le cation cryptand-coordonné est à la fois thermodynamiquement et cinétiquement suffisamment stable pour que les anions alcalides, qui seraient extrêmement réactifs dans le cas contraire, ne soient pas assez réactifs dans ce cas pour provoquer immédiatement un transfert de charge et neutraliser la charge négative.

De manière amusante, il est en fait possible de préparer un seul composé contenant à la fois des cations et des anions de métaux alcalins, comme illustré par $ \ mathrm {[Na (2,2,2- crypt)] ^ {+} Na ^ {- }} $, qui contient un cation sodium coordonné par un cryptand comme contre-ion d'un anion natride / sodure ($ \ ce {Na ^ {-}} $). On peut imaginer que ce composé soit fabriqué en mettant ensemble un atome de sodium neutre ($ \ ce {Na ^ {0}} $) et l'espèce de cryptand neutre $ \ mathrm {[Na (2,2,2- crypt)] ^ 0 } $. Comme Brian le mentionne dans les commentaires, cette dernière espèce est en fait un électride, qui peut s'écrire $ \ mathrm {[Na (2,2,2-crypt)] ^ {+} e ^ { -}} $ et considéré comme un sel où l'anion est un électron solitaire (!). L'atome de sodium neutre et l'électride ont tous deux une forte tendance à perdre un électron dans les réactions chimiques, mais cette tendance est beaucoup plus forte pour l'électride. Ainsi, l'électride finit par avoir son chemin, forçant son électron très faiblement lié sur l'atome de sodium neutre, ce qui fait que l'atome de sodium neutre "opère en sens inverse" et accepte un électron plutôt que de le donner, résultant en $ \ ce {Na ^ {-}} $ anion.

Ce tableau sur Wikipédia est beaucoup plus complet que la plupart des tableaux des "nombres d'oxydation courants", et il répertorie de nombreux nombres d'oxydation négatifs pour les éléments , y compris le fer! Pour de nombreux métaux de transition, des nombres négatifs d'oxydation des métaux peuvent être obtenus en utilisant le ligand carbonyle ($ \ ce {CO} $), qui supprime la densité électronique de l'atome métallique via la liaison en amont. Cela stabilise les charges négatives sur l'atome métallique, permettant à nouveau à l'espèce résultante de survivre avec le contre-ion approprié.

Nicolau Saker Neto a déjà une excellente réponse, mais il ne mentionne probablement pas l'exemple le plus courant d'un élément étant à la fois un anion et un cation: l'hydrogène

L'hydrogène a généralement un état d'oxydation positif, mais dans n'importe lequel des hydrures métalliques, comme l ' hydrure de sodium, il prend un état d'oxydation négatif.

Contrairement à certains, je ne parierais pas que ce n'est pas courant. Jetons un coup d'œil au plus grand corps de notre système: le Soleil. En son centre, vous pouvez trouver par exemple du fluor qui est complètement ionisé. Ce n'est pas vraiment ce à quoi nous sommes habitués avec cet amateur d'électrons.

On peut aussi regarder par exemple la haute atmosphère de Titan. Ici, les interactions avec le champ magnétique de Saturne sont responsables de la formation d'espèces comme $ \ mathrm O ^ + $, ou presque toutes les molécules ionisées que vous pouvez imaginer avec $ \ mathrm C $, $ \ mathrm N $, $ \ mathrm O $ et $ \ mathrm H $.

Il y a des exemples comme ceux-ci partout dans notre système solaire.

La plupart des cours de chimie semblent oublier que nos "conditions de pièce standard" sont loin d'être étant une norme dans tout l'univers. C'est dommage car la plupart des «règles» que nous apprenons au lycée (et dans certains collèges) sont basées sur l'hypothèse que nous sommes à ces conditions standard et cachent le fait que le comportement chimique observé des éléments n'est pas nécessairement même représentatif de que se passe-t-il lorsque vous regardez l'univers entier.

Vous avez raison de dire que c'est possible mais pas courant. Cela résulte de la charge nucléaire effective sur l'atome ou Z. eff, et de la taille de l'atome. Z efficace si vous n'êtes pas familier est un concept généralement abordé dans chem 2 comme une tendance périodique. C'est une mesure de la charge ressentie par l'électron le plus extérieur. Il est calculé en tenant compte des électrons sur les coquilles internes annulant ou protégeant essentiellement l'électron externe de sentir toute la charge du noyau positif. Comme vous pouvez vous y attendre, cela rend l'électron plus facile ou plus difficile à éliminer, provoquant une ionisation en fonction du Zeff. Un petit rayon atomique fait que la barrière d'énergie est plus élevée pour éliminer un électron, car l'électron est plus proche du noyau. Si l'atome est plus gros, il sera plus facile d'éliminer l'électron externe car il est plus éloigné du noyau. Au fur et à mesure que vous vous déplacez le long des périodes du tableau périodique de gauche à droite et de bas en haut, la charge nucléaire effective augmente. Lorsque vous vous déplacez le long du tableau périodique de haut en bas et de droite à gauche, le rayon atomique augmente. Il y a de petits changements dans ce que vous vous attendez à être une tendance en ligne droite, selon le type d'orbitale dans laquelle l'électron «réside» également. Les deux concepts sont présentés ici: Rayons atomiques et Image Zeff.

De ces deux concepts découle le raisonnement:

1. Q: Pourquoi certains atomes sont-ils plus difficiles à ioniser en une charge positive?

   R: Une énergie d'ionisation trop élevée est requise en raison d'une forte interaction du noyau avec l'électron externe.

2. Q: Pourquoi certains atomes ne s'ionisent-ils pas à une charge négative?

   R: Les électrons protègent trop du noyau pour permettre une interaction suffisante pour contenir un autre électron.

Gardez à l'esprit que cela vaut pour les réactions quotidiennes normales et pourquoi certains éléments se trouvent dans l'état d'oxydation où ils se trouvent sur Terre. Une fois que vous entrez dans un environnement énergétique extrême, il y a plus de possibilités.

Votre présomption initiale est incorrecte - à la fois dans l'exemple qu'elle a choisi et dans la logique qu'elle présente. Commençons par la logique.

L'élément le plus répandu qui forme à la fois un cation monoatomique et un anion monoatomique est l'hydrogène - bien qu'il soit vrai que les protons sont difficiles à capturer. Les composés acides se dissocient généralement en $ \ ce {H +} $ et en un résidu d'acide anionique. Et une large gamme d'hydrures relativement stables est connue, y compris l'hydrure de sodium, les tétrahydridoborates, l'hydrure d'aluminium, le tétrahydridoaluminate de lithium et bien d'autres.

Le carbone est un autre élément qui forme fréquemment des anions et des cations, selon le mécanisme. Par exemple, les réactions $ \ mathrm {S_N1} $ et les éliminations $ \ mathrm {E1} $ incluent toutes deux un intermédiaire carbénium cationique. Dans un exemple cationique différent, des cations non classiques tels que le cation norbonyle, un ion carbonium, ont été générés. Carbenium fait ici référence aux cations générés en supprimant une liaison et carbonium à ceux générés en ajoutant une liaison sur un carbone saturé - dans les structures cristallines, les carbones de carbonium semblent liés à cinq résidus différents.

De plus, tout se résume à l'isolement de la charge sur un ion spécifique. Fréquemment, si un ion carbénium est généré à côté d'un oxygène, la structure de résonance la plus importante comporte une double liaison $ \ ce {C = O} $ et la charge positive située sur l'oxygène, mais qui a moins de signification physique que le cations carbénium mentionnés ci-dessus.

Et le fer? Eh bien, vous avez raison de dire que les états d'oxydation $ \ mathrm {+ II} $ et $ \ mathrm {+ III} $ ainsi que le neutre $ \ pm 0 $ sont les plus courants. Un autre composé de fer commun et très stable est le pentacarbonyliron $ \ ce {[Fe (CO) 5]} $, qui contient du fer (0). Cela peut réagir avec les hydroxydes de la manière suivante:

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

Puisque le monoxyde de carbone est un donneur neutre à deux électrons, la double charge négative sur le complexe final formé par déprotonation de l'hydridotétracarbonyliron intermédiaire (0) comporte un anion $ \ ce {Fe ^ 2 -} $. Formellement, le composé déplacé est le carbonate et non le dioxyde de carbone. ^[1]

Référence:

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

La raison pour laquelle certains atomes sont généralement trouvés en négatif et certains sont généralement trouvés dans des états d'oxydation positifs est leur électronégativité relative.

Par conséquent, les éléments à forte électronégativité (tels que les halogènes) sont susceptibles de devenir des ions atomiques négatifs, et les éléments à faible électronégativité (tels que les métaux alcalins) sont susceptibles de devenir des ions atomiques positifs. Bien sûr, les éléments avec des niveaux moyens d'électronégativité (tels que l'hydrogène et le carbone) peuvent être trouvés à la fois dans des états d'oxydation positifs et négatifs.

Bien sûr, des exceptions existent dans la plupart des cas. Les métaux alcalins peuvent former des ions négatifs comme expliqué dans cette réponse, et les halogènes peuvent également former des ions atomiques positifs.

Un exemple est ce spectre de masse du bromure de méthyle, où les pics à m / z 79 et 81 sont dus au cation brome.