Как узнать отрицательную степень окисления. Высшая степень окисления. Степень окисления и валентность

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Степень окисления - это количественная оценка состояния атома химического элемента в соединении, основанная на его электроотрицательности.

Она принимает как положительные, так и отрицательные значения. Чтобы указать степень окисления элемента в соединении нужно поставить сверху над его символом арабскую цифру с соответствующим знаком («+» или «-»).

Следует помнить, что степень окисления — величина, не имеющая физического смысла, так как не отражает реальный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.

Таблица степени окисления химических элементов

Максимальную положительную и минимальную отрицательную степень окисления можно определить с помощью Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Они равны номеру группы, в которой расположен элемент, и разнице между значением «высшей» степени окисления и числом 8, соответственно.

Если рассматривать химические соединения более конкретно, то в веществах с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю (N 2 , H 2 , Cl 2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Существуют элементы, для которых характерно только одно значение степени окисления (фтор, металлы IA и IIA групп и т.д.). Фтор, характеризующийся наибольшим значением электроотрицательности, в соединениях всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления (-1).

Щелочные и щелочноземельные элементы, для которых свойственно относительно невысокое значение электроотрицательности, всегда имеют положительную степень окисления, равную соответственно (+1) и (+2).

Однако, имеются и такие химические элементы, для которых характерны несколько значений степени окисления (сера - (-2), 0, (+2), (+4), (+6) и др.).

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие степени окисления характерны для конкретного химического элемента используют таблицы степеней окисления химических элементов, которые выглядят следующим образом:

Порядковый номер

Русское / англ. название

Химический символ

Степень окисления

Водород / Hydrogen

Гелий / Helium

Литий / Lithium

Бериллий / Beryllium

(-1), 0, (+1), (+2), (+3)

Углерод / Carbon

(-4), (-3), (-2), (-1), 0, (+2), (+4)

Азот / Nitrogen

(-3), (-2), (-1), 0, (+1), (+2), (+3), (+4), (+5)

Кислород / Oxygen

(-2), (-1), 0, (+1), (+2)

Фтор / Fluorine

Натрий / Sodium

Магний / Magnesium

Алюминий / Aluminum

Кремний / Silicon

(-4), 0, (+2), (+4)

Фосфор / Phosphorus

(-3), 0, (+3), (+5)

Сера / Sulfur

(-2), 0, (+4), (+6)

Хлор / Chlorine

(-1), 0, (+1), (+3), (+5), (+7), редко (+2) и (+4)

Аргон / Argon

Калий / Potassium

Кальций / Calcium

Скандий / Scandium

Титан / Titanium

(+2), (+3), (+4)

Ванадий / Vanadium

(+2), (+3), (+4), (+5)

Хром / Chromium

(+2), (+3), (+6)

Марганец / Manganese

(+2), (+3), (+4), (+6), (+7)

Железо / Iron

(+2), (+3), редко (+4) и (+6)

Кобальт / Cobalt

(+2), (+3), редко (+4)

Никель / Nickel

(+2), редко (+1), (+3) и (+4)

Медь / Copper

+1, +2, редко (+3)

Галлий / Gallium

(+3), редко (+2)

Германий / Germanium

(-4), (+2), (+4)

Мышьяк / Arsenic

(-3), (+3), (+5), редко (+2)

Селен / Selenium

(-2), (+4), (+6), редко (+2)

Бром / Bromine

(-1), (+1), (+5), редко (+3), (+4)

Криптон / Krypton

Рубидий / Rubidium

Стронций / Strontium

Иттрий / Yttrium

Цирконий / Zirconium

(+4), редко (+2) и (+3)

Ниобий / Niobium

(+3), (+5), редко (+2) и (+4)

Молибден / Molybdenum

(+3), (+6), редко (+2), (+3) и (+5)

Технеций / Technetium

Рутений / Ruthenium

(+3), (+4), (+8), редко (+2), (+6) и (+7)

Родий / Rhodium

(+4), редко (+2), (+3) и (+6)

Палладий / Palladium

(+2), (+4), редко (+6)

Серебро / Silver

(+1), редко (+2) и (+3)

Кадмий / Cadmium

(+2), редко (+1)

Индий / Indium

(+3), редко (+1) и (+2)

Олово / Tin

(+2), (+4)

Сурьма / Antimony

(-3), (+3), (+5), редко (+4)

Теллур / Tellurium

(-2), (+4), (+6), редко (+2)

(-1), (+1), (+5), (+7), редко (+3), (+4)

Ксенон / Xenon

Цезий / Cesium

Барий / Barium

Лантан / Lanthanum

Церий / Cerium

(+3), (+4)

Празеодим / Praseodymium

Неодим / Neodymium

(+3), (+4)

Прометий / Promethium

Самарий / Samarium

(+3), редко (+2)

Европий / Europium

(+3), редко (+2)

Гадолиний / Gadolinium

Тербий / Terbium

(+3), (+4)

Диспрозий / Dysprosium

Гольмий / Holmium

Эрбий / Erbium

Тулий / Thulium

(+3), редко (+2)

Иттербий / Ytterbium

(+3), редко (+2)

Лютеций / Lutetium

Гафний / Hafnium

Тантал / Tantalum

(+5), редко (+3), (+4)

Вольфрам / Tungsten

(+6), редко (+2), (+3), (+4) и (+5)

Рений / Rhenium

(+2), (+4), (+6), (+7), редко (-1), (+1), (+3), (+5)

Осмий / Osmium

(+3), (+4), (+6), (+8), редко (+2)

Иридий / Iridium

(+3), (+4), (+6), редко (+1) и (+2)

Платина / Platinum

(+2), (+4), (+6), редко (+1) и (+3)

Золото / Gold

(+1), (+3), редко (+2)

Ртуть / Mercury

(+1), (+2)

Талий / Thallium

(+1), (+3), редко (+2)

Свинец / Lead

(+2), (+4)

Висмут / Bismuth

(+3), редко (+3), (+2), (+4) и (+5)

Полоний / Polonium

(+2), (+4), редко (-2) и (+6)

Астат / Astatine

Радон / Radon

Франций / Francium

Радий / Radium

Актиний / Actinium

Торий / Thorium

Проактиний / Protactinium

Уран / Uranium

(+3), (+4), (+6), редко (+2) и (+5)

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Ответ Будем поочередно определять степень окисления фосфора в каждой из предложенных схем превращений, а затем выберем верный вариант ответа.
  • Степень окисления фосфора в фосфине равна (-3), а в ортофосфорной кислоте - (+5). Изменение степени окисления фосфора: +3 → +5, т.е. первый вариант ответа.
  • Степень окисления химического элемента в простом веществе равна нулю. Степень окисления фосфора в оксиде состава P 2 O 5 равна (+5). Изменение степени окисления фосфора: 0 → +5, т.е. третий вариант ответа.
  • Степень окисления фосфора в кислоте состава HPO 3 равна (+5), а H 3 PO 2 — (+1). Изменение степени окисления фосфора: +5 → +1, т.е. пятый вариант ответа.

ПРИМЕР 2

Задание Степень окисления (-3) углерод имеет в соединении: а) CH 3 Cl; б) C 2 H 2 ; в) HCOH; г) C 2 H 6 .
Решение Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять степень окисления углерода в каждом из предложенных соединений.

а) степень окисления водорода равна (+1), а хлора - (-1). Примем за «х» степень окисления углерода:

x + 3×1 + (-1) =0;

Ответ неверный.

б) степень окисления водорода равна (+1). Примем за «у» степень окисления углерода:

2×у + 2×1 = 0;

Ответ неверный.

в) степень окисления водорода равна (+1), а кислорода - (-2). Примем за «z» степень окисления углерода:

1 + z + (-2) +1 = 0:

Ответ неверный.

г) степень окисления водорода равна (+1). Примем за «a» степень окисления углерода:

2×а + 6×1 = 0;

Верный ответ.
Ответ Вариант (г)

Для подсчета степеней окисления имеется ряд простых правил:

  • Степень окисления элемента в составе простого вещества принимается равной нулю. Если вещество находится в атомарном состоянии, то степень окисления его атомов также равна нулю.
  • Ряд элементов проявляют в соединениях постоянную степень окисления. Среди них фтор (−1), щелочные металлы (+1), щелочноземельные металлы, бериллий, магний и цинк (+2), алюминий (+3).
  • Кислород, как правило, проявляет степень окисления −2 за исключением пероксидов $H_2O_2$ (−1) и фторида кислорода $OF_2$ (+2).
  • Водород в соединении с металлами (в гидридах) проявляет степень окисления −1, а в соединениях с неметаллами, как правило, +1 (кроме $SiH_4, B_2H_6$).
  • Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равной нулю, а в сложном ионе - заряду этого иона.
  • Высшая положительная степень окисления равна, как правило, номеру группы элемента в периодической системе. Так, сера (элемент VIA группы), проявляет высшую степень окисления +6, азот (элемент V группы) - высшую степень окисления +5, марганец - переходный элемент VIIБ группы - высшую степень окисления +7. Это правило не распространяется на элементы побочной подгруппы первой группы, степени окисления которых обычно превышают +1, а также на элементы побочной подгруппы VIII группы. Также не проявляют своих высших степеней окисления, равных номеру группы, элементы кислород и фтор.
  • Низшая отрицательная степень окисления для элементов-неметаллов определяется вычитанием номера группы из числа 8. Так, сера (элемент VIA группы), проявляет низшую степень окисления −2, азот (элемент V группы) - низшую степень окисления −3.

На основании приведенных выше правил можно найти степень окисления элемента в любом веществе.

Найти степень окисления серы в кислотах:

а) H$_2$SO$_3$,

б) H$_2$S$_2$O$_5$,

в) H$_2$S$_3$O$_{10}$.

Решение

Степень окисления водорода равна +1, кислорода −2. Обозначим степень окисления серы как x. Тогда можно записать:

$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}\overset{-2}{O_3} $

$2\cdot$(+1) + x + 3$\cdot$(−2) = 0 x = +4

$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}_2\overset{-2}{O_5}$

2$\cdot$(+1) + 2x + 5$\cdot$(−2) = 0 x = +4

$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}_3\overset{-2}{O_10}$

2$\cdot$(+1) + 3x + 10$\cdot$(−2) = 0 x = +6

Таким образом, в первых двух кислотах степень окисления серы одинакова и равна +4, в последней кислоте +6.

Найти степень окисления хлора в соединениях:

б) $Ca(ClO_4)_2$,

в) $Al(ClO_2)_3$.

Решение

Сначала найдем заряд сложных ионов, в состав которых входит хлор, помня при этом, что молекула в целом электронейтральна.

$\hspace{1.5cm}\overset{+1}{H}\overbrace{ClO_3} \hspace{2.5cm} \overset{+2}{Ca}\overbrace{(ClO_4)_2} \hspace{2.5cm} \overset{+3}{Al}\overbrace{(ClO_2)_3} $

$\hspace{1.5cm}$+1 +x = 0 $\hspace{2.3cm}$ +2 +2x = 0 $\hspace{2.5cm}$ +3 + 3x = 0

$\hspace{1.5cm}$x = - 1 $\hspace{2.7cm}$ x = - 1 $\hspace{2.9cm}$ x = - 1

$\hspace{1.5cm}(\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_3})^{-1} \hspace{2.4cm} (\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_4})^{-1} \hspace{2.7cm} (\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_2})^{-1}$

$\hspace{0.5cm}1 \cdot x + 3\cdot (−2) = -1 \hspace{0.9cm}1 \cdot x + 4\cdot (−2) = -1 \hspace{1.2cm}1 \cdot x + 2\cdot (−2) = -1$

$\hspace{1.5cm} x = +5 \hspace{2.8cm} x = +7 \hspace{3.2cm} x = +3$

АЛГОРИТМ ВЫЧИСЛЕНИЯ ВАЛЕНТНОСТИ ЭЛЕМЕНТА В СОЕДИНЕНИИ

Зачастую численные значения степени окисления и валентности совпадают. Однако в некоторых соединениях, например в простых веществах, их значения могут различаться.

Так, молекула азота образована двумя атомами азота, связанными тройной связью. Связь образована тремя общими электронными парами за счет присутствия трех неспаренных электронов на 2p-подуровне атома азота. То есть валентность азота равна трем. В то же время $N_2$ - простое вещество, а значит, степень окисления этой молекулы равна нулю.

Аналогично, в молекуле кислорода валентность равна двум, а степень окисления - 0; в молекуле водорода валентность - I, степень окисления - 0.

Так же как в простых веществах, степень окисления и валентность часто отличаются в органических соединениях. Подробнее это будет рассмотрено в теме «ОВР в органической химии».

Для определения валентности в сложных соединениях сначала нужно построить структурную формулу. В структурной формуле одна химическая связь изображается одной «черточкой».

При построении графических формул нужно учитывать ряд факторов:


Определение

Электроотрицательность (ЭО) $\chi$ (хи) - величина, характеризующая способность атома элемента притягивать к себе электроны при образовании химической связи с другими атомами.

Современное понятие об электроотрицательности атомов введено американским учёным Лайнусом Полингом в 1932 году. Теоретическое определение электроотрицательности было разработано позднее. Американский физик Роберт Малликен предложил рассчитывать электроотрицательность как полусумму потенциала ионизации и сродства к электрону:

$\chi_{\textrm{М}} = \dfrac {I + A_e}{2},$

где $I$ - потенциал ионизации, $A_e$ - энергия сродства к электрону.

Помимо шкалы Малликена, описанной выше, существует более 20-ти различных других шкал электроотрицательности (в основу расчёта значений которых положены разные свойства веществ), среди которых шкала Л. Полинга (основана на энергии связи при образовании сложного вещества из простых), шкала Олреда-Рохова (основана на электростатической силе, действующей на внешний электрон) и др.

В настоящее время существует много способов, позволяющих количественно оценить величину электроотрицательности атома. Значения электроотрицательностей элементов, рассчитанные разными способами, как правило, не совпадают даже при введении поправочных коэффициентов. Однако общие тенденции в изменении $\chi$ по Периодической системе сохраняются. Проиллюстрировать это можно, сравнив две наиболее широко использующиеся шкалы - по Полингу и по Олреду-Рохову (жирным шрифтом выделены значения ЭО по шкале Полинга, курсивом - по шкале Олреда-Рохова; $s$-элементы выделены розовым цветом, $p$-элементы - жёлтым, $d$-элементы - зелёным, $f$-элементы - голубым):

Строго говоря, элементу нельзя приписать постоянную электроотрицательность. Электроотрицательность атома зависит от многих факторов, в частности, от валентного состояния атома, формальной степени окисления, типа соединения, координационного числа, природы лигандов, составляющих окружение атома в молекулярной системе, и от некоторых других.

Электроотрицательность связана с окислительно-восстановительной активностью элемента. Соответственно, чем больше электроотрицательность элемента, тем сильнее его окислительные свойства.

Чем более приближена электронная оболочка данного атома к электронной оболочке инертного газа, тем выше его электроотрицательность. Иными словами, в периодах по мере заполнения внешнего энергетического уровня электронами (то есть слева направо) электроотрицательность возрастает, так как возрастает номер группы и количество электронов на внешнем энергетическом уровне.

Чем дальше оказываются валентные электроны от ядра, тем слабее они удерживаются и тем ниже способность атома притягивать к себе дополнительные электроны. Таким образом, в группах электроотрицательность возрастает с уменьшением атомного радиуса, то есть снизу вверх. Элементом с наибольшей электроотрицательностью является фтор, а с наименьшей - цезий. Типичные неметаллы, таким образом, имеют высокие значения электроотрицательности, а типичные металлы - низкие.

ВАЛЕНТНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Валентность характеризует способность атомов данного химического элемента к образованию химических связей.

Валентность определяет число химических связей, которыми атом связан с другими атомами в молекуле.

Ранее валентность определяли как число атомов одновалентного элемента, с которым соединяется один атом данного элемента. Так, водород считается одновалентным элементом. В молекуле $HBr$ атом брома соединяется с одним атомом водорода, а атом серы в молекуле $H_2S$ - с двумя атома водорода. Следовательно, бром в $HBr$ одновалентен, а сера в $H_2S$ двухвалентна. Значения валентности для различных элементов могут изменяться от одного до восьми. Так, в хлорной кислоте $HClO_4$ элемент водород - одновалентный, кислород - двухвалентный, хлор - семивалентный. В молекуле оксида ксенона $XeO_4$ валентность ксенона достигает значения восемь. Все это наглядно демонстрируют следующие структурные формулы, в которых показан порядок связи атомов в молекуле друг с другом в соответствии с их валентностями (причем каждой единице валентности отвечает один валентный штрих):

Определение

В настоящее время под валентностью понимают число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами.

Валентность (или ковалентность) определяется числом ковалентных связей, образуемых данным атомом в соединении . При этом учитываются как ковалентные связи, образованные по обменному механизму, так и ковалентные связи, образованные по донорно-акцепторному механизму.

Валентность не имеет знака!

Поскольку существует два механизма образования ковалентной связи (механизм спаривания электронов и донорно-акцепторный механизм), то валентные возможности атомов зависят от:

  • числа неспаренных электронов в данном атоме;
  • от наличия вакантных атомных орбиталей во внешнем уровне;
  • от числа неподеленных электронных пар.

Валентность элементов первого периода не может превышать I, валентность элементов второго периода не может превышать IV. Начиная с третьего периода валентность элементов может увеличиваться до VIII (например, $XeO_4$) в соответствии с номером группы, в которой находится элемент.

Рассмотрим, например, валентные возможности атомов ряда элементов.

ВАЛЕНТНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОДОРОДА

Атом водорода имеет единственный валентный электрон, что отражает электронная формула $1s^1$ или графическая формула:

За счет этого неспаренного электрона атом водорода может образовать только одну ковалентную связь с каким-либо другим атомом по механизму спаривания (или обобществления) электронов. Другие валентные возможности у атома водорода отсутствуют. Поэтому водород проявляет единственную валентность, равную I.

ВАЛЕНТНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОСФОРА

Элемент фосфор находится в третьем периоде, в главной подгруппе пятой группы. Электронная конфигурация его валентных электронов $3s^23p^3$ или

Являясь аналогом азота, фосфор также может проявлять валентности I, II, III и IV. Но так как для элементов третьего периода доступны вакантные $3d$-орбитали, атом фосфора может перейти в возбужденное состояние, переведя один из $s$-электронов на $d$-подуровень:

Таким образом, атом фосфора может образовать пять ковалентных связей по обменному механизму. Максимальную валентность V фосфор проявляет в молекулах $PF_5$, $H_3PO_4$, $POCl_3$ и др.:

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ

Определение

Степень окисления - это условный заряд атома в соединении в предположении, что все связи в этом соединении ионные (т.е. все связывающие электронные пары полностью смещены к атому более электроотрицательного элемента).

Другими словами, степень окисления - это число, которое показывает, сколько электронов отдал (заряд «+») или принял (заряд «–») атом при образовании химической связи с другим атомом.

В отличие от валентности, степень окисления имеет знак - она может быть отрицательной, нулевой или положительной.

Для подсчета степеней окисления атомов в соединении имеется ряд простых правил:

  • Степень окисления элемента в составе простого вещества принимается равной нулю. Если вещество находится в атомарном состоянии, то степень окисления его атомов также равна нулю.
  • Ряд элементов проявляют в соединениях постоянную степень окисления. Среди них фтор (−1), щелочные металлы (+1), щелочно-земельные металлы, бериллий, магний и цинк (+2), алюминий (+3).
  • Кислород, как правило, проявляет степень окисления −2 за исключением пероксидов $H_2O_2$ (−1), супероксидов $MO_2$ ($-\frac{1}{2}$), озонидов $M^IO_3,\ M^{II}(O_3)_2$ ($-\frac{1}{3}$) и фторида кислорода $OF_2$ (+2).
  • Водород в соединении с металлами (в гидридах) проявляет степень окисления −1, а в соединениях с неметаллами, как правило, +1 (кроме $SiH_4,\ B_2H_6$).
  • Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равной нулю, а в сложном ионе - заряду этого иона.

Высшая положительная степень окисления равна, как правило, номеру группы элемента в периодической системе.

Так, сера (элемент VIA группы), проявляет высшую степень окисления +6, азот (элемент V группы) - высшую степень окисления +5, марганец - переходный элемент VIIБ группы - высшую степень окисления +7. Это правило не распространяется на элементы побочной подгруппы первой группы, степени окисления которых обычно превышают +1, а также на элементы побочной подгруппы VIII группы. Также не проявляют своих высших степеней окисления, равных номеру группы, элементы кислород и фтор.

Низшая отрицательная степень окисления для элементов-неметаллов определяется вычитанием номера группы из числа 8.

Так, сера (элемент VIA группы), проявляет низшую степень окисления −2, азот (элемент V группы) - низшую степень окисления −3.

На основании приведенных выше правил можно найти степень окисления элемента в любом веществе.

$+1 + x = 0 \hspace{1.5cm} +2 + 2x = 0 \hspace{1.5cm} +3 + 3x = 0$

$x = - 1 \hspace{2.3 cm} x = - 1 \hspace{2.6 cm} x = - 1$

$\overset{x}(Cl\overset{-2}{O_3})^{-1}$

Химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный тип.

Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, а в ионе - заряду иона .

1. Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные.

2. Высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au +3 (I группа), Cu +2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru .

3. Степени окисления неметаллов зависят от того, с каким атомом он соединён:

  • если с атомом металла, то степень окисления отрицательная;
  • если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов.

4. Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.

5. Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.

Элементы с неизменными степенями окисления.

Элемент

Характерная степень окисления

Исключения

Гидриды металлов: LIH -1

Степенью окисления называют условный заряд частицы в предположении, что связь полностью разорвана (имеет ионных характер).

H - Cl = H + + Cl - ,

Связь в соляной кислоте ковалентная полярная. Электронная пара в большей степени смещена в сторону атома Cl - , т.к. он более электроотрицацельный элемент.

Как определить степень окисления?

Электроотрицательность - это способность атомов притягивать к себе электроны других элементов.

Степень окисления указывается над элементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 , K + Cl - и т.д.

Она может быть отрицательной и положительной.

Степень окисления простого вещества (несвязанное, свободное состояние) равна нулю.

Степень окисления кислорода у большинстве соединений равна -2 (исключение составляют пероксиды Н 2 О 2 , где она равна -1 и соединения с фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ).

- Степень окисления простого одноатомного иона равна его заряду: Na + , Ca +2 .

Водород в своих соединениях имеет степень окисления равную +1 (исключения составляют гидриды - Na + H - и соединения типа C +4 H 4 -1 ).

В связях «металл-неметалл» отрицательную степень окисления имеет тот атом, который обладает большей электрооприцательностью (данные об элеткроотрицательности приведены в шкале Полинга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - и т.д.

Правила определения степени окисления в химических соединениях.

Возьмем соединение KMnO 4 , необходимо определить степень окисления у атома марганца.

Рассуждения:

  1. Калий - щелочной металл, стоящий в I группе периодической таблицы , в связи с чем, имеет только положительную степень окисления +1.
  2. Кислород , как известно, в большинстве своих соединений имеет степень окисления -2. Данное вещество не является пероксидом, а значит, - не исключение.
  3. Составляет уравнение:

К + Mn X O 4 -2

Пусть Х - неизвестная нам степень окисления марганца.

Количество атомов калия - 1, марганца - 1, кислорода - 4.

Доказано, что молекула в целом электронейтральна, поэтому ее общий заряд должен быть равен нулю.

1*(+1) + 1*(X ) + 4(-2) = 0,

Х = +7,

Значит, степень окисления марганца в перманганате калия = +7.

Возьмем другой пример оксида Fe 2 O 3 .

Необходимо определить степень окисления атома железа.

Рассуждение:

  1. Железо - металл, кислород - неметалл, значит, именно кислород будет окислителем и иметь отрицательный заряд. Мы знаем, что кислород имеет степень окисления -2.
  2. Считаем количества атомов: железа - 2 атома, кислорода - 3.
  3. Составляем уравнение, где Х - степень окисления атома железа:

2*(Х) + 3*(-2) = 0,

Вывод: степень окисления железа в данном оксиде равна +3.

Примеры. Определить степени окисления всех атомов в молекуле.

1. K 2 Cr 2 O 7 .

Степень окисления К +1 , кислорода О -2 .

Учитывая индексы: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2).

Т.к. алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, то число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Степени окисления К+О=(-14)+(+2)=(-12).

Из этого следует, что у атома хрома число положительных степеней равно 12, но атомов в молекуле 2, значит на один атом приходится (+12):2=(+6). Ответ: К 2 + Cr 2 +6 O 7 -2 .

2. (AsO 4) 3- .

В данном случае сумма степеней окисления будет равна уже не нулю, а заряду иона, т. е. - 3. Составим уравнение: х+4×(- 2)= - 3 .

Ответ: (As +5 O 4 -2) 3- .

Темы кодификатора ЕГЭ: Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.

Когда атомы взаимодействуют и образуют , электроны между ними в большинстве случаев распределяются неравномерно, поскольку свойства атомов различаются. Более электроотрицательный атом сильнее притягивает к себе электронную плотность. Атом, который притянул к себе электронную плотность, приобретает частичный отрицательный заряд δ — , его «партнер» — частичный положительный заряд δ+ . Если разность электроотрицательностей атомов, образующих связь, не превышает 1,7, мы называем связь ковалентной полярной . Если разность электроотрицательностей, образующих химическую связь, превышает 1,7, то такую связь мы называем ионной .

Степень окисления – это вспомогательный условный заряд атома элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все соединения состоят из ионов (все полярные связи – ионные).

Что значит «условный заряд»? Мы просто-напросто договариваемся, что немного упростим ситуацию: будем считать любые полярные связи полностью ионными, и будем считать, что электрон полностью уходит или приходит от одного атома к другому, даже если на самом деле это не так. А уходит условно электрон от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному.

Например , в связи H-Cl мы считаем, что водород условно «отдал» электрон, и его заряд стал +1, а хлор «принял» электрон, и его заряд стал -1. На самом деле таких полных зарядов на этих атомах нет.

Наверняка, у вас возник вопрос — зачем же придумывать то, чего нет? Это не коварный замысел химиков, все просто: такая модель очень удобна. Представления о степени окисления элементов полезны при составлении классификации химических веществ, описании их свойств, составлении формул соединений и номенклатуры. Особенно часто степени окисления используются при работе с окислительно-восстановительными реакциями .

Степени окисления бывают высшие , низшие и промежуточные .

Высшая степень окисления равна номеру группы со знаком «плюс».

Низшая определяется, как номер группы минус 8.

И промежуточная степень окисления — это почти любое целое число в интервале от низшей степени окисления до высшей.

Например , для азота характерны: высшая степень окисления +5, низшая 5 — 8 = -3, а промежуточные степени окисления от -3 до +5. Например, в гидразине N 2 H 4 степень окисления азота промежуточная, -2.

Чаще всего степень окисления атомов в сложных веществах обозначается сначала знаком, потом цифрой, например +1, +2, -2 и т.д. Когда речь идет о заряде иона (предположим, что ион реально существует в соединении), то сначала указывают цифру, потом знак. Например : Ca 2+ , CO 3 2- .

Для нахождения степеней окисления используют следующие правила :

  1. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю;
  2. В нейтральных молекулах алгебраическая сумма степеней окисления равна нулю, для ионов эта сумма равна заряду иона;
  3. Степень окисления щелочных металлов (элементы I группы главной подгруппы) в соединениях равна +1, степень окисления щелочноземельных металлов (элементы II группы главной подгруппы) в соединениях равна +2; степень окисления алюминия в соединениях равна +3;
  4. Степень окисления водорода в соединениях с металлами ( — NaH, CaH 2 и др.) равна -1 ; в соединениях с неметаллами () +1 ;
  5. Степень окисления кислорода равна -2 . Исключение составляют пероксиды – соединения, содержащие группу –О-О-, где степень окисления кислорода равна -1 , и некоторые другие соединения (супероксиды, озониды, фториды кислорода OF 2 и др.);
  6. Степень окисления фтора во всех сложных веществах равна -1 .

Выше перечислены ситуации, когда степень окисления мы считаем постоянной . У всех остальных химических элементов степень окисления — переменная , и зависит от порядка и типа атомов в соединении.

Примеры :

Задание : определите степени окисления элементов в молекуле дихромата калия: K 2 Cr 2 O 7 .

Решение: степень окисления калия равна +1, степень окисления хрома обозначим, как х , степень окисления кислорода -2. Сумма всех степеней окисления всех атомов в молекуле равна 0. Получаем уравнение: +1*2+2*х-2*7=0. Решаем его, получаем степень окисления хрома +6.

В бинарных соединениях более электроотрицательный элемент характеризуется отрицательной степенью окисления, менее электроотрицательный – положительной.

Обратите внимание, что понятие степени окисления – очень условно! Степень окисления не показывает реальный заряд атома и не имеет реального физического смысла . Это упрощенная модель, которая эффективно работает, когда нам необходимо, например, уравнять коэффициенты в уравнении химической реакции, или для алгоритмизации классификации веществ.

Степень окисления – это не валентность ! Степень окисления и валентность во многих случаях не совпадают. Например, валентность водорода в простом веществе Н 2 равна I, а степень окисления, согласно правилу 1, равна 0.

Это базовые правила, которые помогут Вам определить степень окисления атомов в соединениях в большинстве случаев.

В некоторых ситуациях вы можете столкнуться с трудностями при определении степени окисления атома. Рассмотрим некоторые из этих ситуаций, и разберем способы их разрешения:

  1. В двойных (солеобразных) оксидах степень у атома, как правило, две степени окисления. Например, в железной окалине Fe 3 O 4 у железа две степени окисления: +2 и +3. Какую из них указывать? Обе. Для упрощения можно представить это соединение, как соль: Fe(FeO 2) 2 . При этом кислотный остаток образует атом со степенью окисления +3. Либо двойной оксид можно представить так: FeO*Fe 2 O 3 .
  2. В пероксосоединениях степень окисления атомов кислорода, соединенных ковалентными неполярными связями, как правило, изменяется. Например, в пероксиде водорода Н 2 О 2 , и пероксидах щелочных металлов степень окисления кислорода -1, т.к. одна из связей – ковалентная неполярная (Н-О-О-Н). Другой пример – пероксомоносерная кислота (кислота Каро) H 2 SO 5 (см. рис.) содержит в составе два атома кислорода со степенью окисления -1, остальные атомы со степенью окисления -2, поэтому более понятной будет такая запись: H 2 SO 3 (O 2). Известны также пероксосоединения хрома – например, пероксид хрома (VI) CrO(O 2) 2 или CrO 5 , и многие другие.
  3. Еще один пример соединений с неоднозначной степенью окисления – супероксиды (NaO 2) и солеобразные озониды KO 3 . В этом случае уместнее говорить о молекулярном ионе O 2 с зарядом -1 и и O 3 с зарядом -1. Строение таких частиц описывается некоторыми моделями, которые в российской учебной программе проходят на первых курсах химических ВУЗов: МО ЛКАО, метод наложения валентных схем и др.
  4. В органических соединениях понятие степени окисления не очень удобно использовать, т.к. между атомами углерода существует большое число ковалентных неполярных связей. Тем не менее, если нарисовать структурную формулу молекулы, то степень окисления каждого атома также можно определить по типу и количеству атомов, с которыми данный атом непосредственно связан. Например, у первичных атомов углерода в углеводородах степень окисления равна -3, у вторичных -2, у третичных атомов -1, у четвертичных — 0.

Потренируемся определять степень окисления атомов в органических соединениях. Для этого необходимо нарисовать полную структурную формулу атома, и выделить атом углерода с его ближайшим окружением — атомами, с которыми он непосредственно соединен.

  • Для упрощения расчетов можно использовать таблицу растворимости – там указаны заряды наиболее распространенных ионов. На большинстве российских экзаменов по химии (ЕГЭ, ГИА, ДВИ) использование таблицы растворимости разрешено. Это готовая шпаргалка, которая во многих случаях позволяет значительно сэкономить время.
  • При расчете степени окисления элементов в сложных веществах сначала указываем степени окисления элементов, которые мы точно знаем (элементы с постоянной степенью окисления), а степень окисления элементов с переменной степенью окисления обозначаем, как х. Сумма всех зарядов всех частиц равна нулю в молекуле или равна заряду иона в ионе. Из этих данных легко составить и решить уравнение.

Читайте также