Как найти промежуточную степень окисления

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

Когда атомы взаимодействуют и образуют химическую связь, 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 N₂H₄ 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: Ca²⁺, CO₃ ^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 (солеобразные гидриды — NaH, CaH₂ и др.) равна -1; в соединениях с неметаллами (летучие водородные соединения)  +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 OF₂ 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: K₂Cr₂O₇.

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 Н₂ 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 Fe₃O₄ у железа две степени окисления: +2 и +3. Какую из них указывать? Обе. Для упрощения можно представить это соединение, как соль: Fe(FeO₂)₂. При этом кислотный остаток образует атом со степенью окисления +3. Либо двойной оксид можно представить так: FeO*Fe₂O₃.
2. В пероксосоединениях степень окисления атомов кислорода, соединенных ковалентными неполярными связями, как правило, изменяется. Например, в пероксиде водорода Н₂О₂, 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)  H₂SO₅ (см. рис.) содержит в составе два атома кислорода со степенью окисления -1, остальные атомы со степенью окисления -2, поэтому более понятной будет такая запись: H₂SO₃(O₂).  Известны также пероксосоединения хрома – например, пероксид хрома (VI) CrO(O₂)₂ или CrO₅, и многие другие.
3. Еще один пример соединений с неоднозначной степенью окисления – супероксиды (NaO₂) и солеобразные озониды KO₃. В этом случае уместнее говорить о молекулярном ионе O₂ с зарядом -1 и и O₃ 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.

Полезные советы:

• 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.

Тренировочный тест по теме «Степени окисления и валентность» 10 вопросов, при каждом прохождении новые.

Что такое степень окисления

Для начала давайте вспомним, как проходят химические связи в молекуле вещества. Взаимодействуя между собой, атомы могут притягивать или отдавать электроны для образования общей электронной пары. Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) притягивает электроны и приобретает отрицательный заряд, а атом с меньшей ЭО, напротив, отдает электроны и обретает положительный заряд.

Степень окисления — это условный заряд, который предположительно обретет атом после перемещения электронов. Он вычисляется из предположения, что все свободные электроны полностью перемещаются от одного атома к другому и все образованные связи — ионные.

Почему в определении степени окисления мы говорим об условном заряде? Потому что в реальности он может быть другим, а химические связи атома в соединении не обязательно будут ионными. Но мы предполагаем, что все именно так, чтобы немного упростить расчеты. Это помогает в составлении формул и классификаций.

Запомните:

1. Численно степень окисления равна количеству электронов, которые перешли от одного атома к другому.

2. У атома с меньшей ЭО, который отдает электроны, — положительная степень окисления.

3. У атома с большей ЭО, который притягивает электроны, — отрицательная степень окисления.

4. Простые вещества, такие как Cl₂, O₂ и т. д., имеют степень окисления, равную 0, поскольку смещения электронов в данном случае не происходит.

Как рассчитать степень окисления

Как мы уже выяснили выше, определить степень окисления элемента (иначе говоря, окислительное число) помогает электроотрицательность. Значения ЭО легко узнать, пользуясь таблицей Менделеева или шкалой относительной электроотрицательности. Сравните, у какого химического элемента в соединении ЭО выше — этот элемент будет притягивать электроны и приобретет отрицательный заряд.

Шкала относительной электроотрицательности

Это правило поможет составить уравнение и посчитать степень окисления любого химического элемента в соединении, если известны данные по остальным элементам. Еще больше облегчат расчеты следующие закономерности:

• у водорода в гидридах окислительное число −1, а во всех остальных веществах оно равно +1;

• у кислорода степень окисления в оксидах равна −2, в пероксидах −1, в соединениях с фтором +2;

• у неметаллов в соединениях с водородом и металлами окислительное число всегда отрицательное;

• у металлов степень окисления всегда положительная.

Также есть элементы, которые во всех соединениях отдают или принимают одинаковое количество электронов, поэтому их окислительное число — постоянная величина.

Алгоритм действий

Итак, мы знаем основные закономерности. Давайте разберемся, как находить степени окисления на примерах. Предлагаем следующий алгоритм действий.

1. Посмотрите, является ли вещество элементарным. Если да — значит, оно находится в химически несвязанном состоянии и окислительное число равно 0. Это правило подходит как для веществ, образованных из отдельных атомов, так и для тех, что включают многоатомные молекулы одного и того же элемента.

2. Пример

   Степень окисления Cl₂, S₈ равна 0.

3. Если это соединение, определите, состоит ли оно из ионов. В многоатомном ионе сумма всех степеней окисления равна его заряду. Узнайте эту сумму из таблицы растворимости и составьте уравнение с известными окислительными числами.

Пример

Допустим, нужно определить заряд азота в ионе аммония.

Согласно таблице растворимости заряд иона аммония NH₄⁺ равен +1. Это значит, что сумма степеней окисления в этом соединении тоже будет равна +1.

Также известно, что водород всюду, кроме гидридов, имеет заряд +1. В данном случае есть 4 атома водорода, т. е. +1 × 4.

Составим формулу: х + (+1) × 4 = +1. Значит х = −3.

Окислительное число азота в ионе аммония равно −3, т. е. N^-3H₄⁺¹.

4. Если соединение — нейтральная молекула, составьте уравнение, учитывая, что все окислительные числа в сумме равны 0.

Пример

Допустим, нужно определить степень окисления серы в соединении Na₂SO₄.

Мы знаем, что у щелочного металла Na постоянное окислительное число +1. Кислород, согласно вышеизложенным правилам, в оксидах имеет заряд −2.

Составим уравнение: (+1) × 2 + х + (−2) × 4 = 0. Значит х = +6.

Степень окисления серы равна +6, т. е. Na₂⁺¹S⁺⁶O₄^-2.

Как узнать степень окисления нескольких элементов

А как быть, если неизвестны окислительные числа двух и более элементов в соединении? В математике уравнения с двумя неизвестными не всегда имеют решение. Но в химии есть выход: можно разделить химическую формулу на несколько частей, которые имеют постоянные заряды.

Пример

Как вычислить степень окисления в сложном веществе (NH₄)₂SO₄? Посмотрим на него как на соединение двух ионов с известными зарядами: NH₄⁺ и SO₄^2-.

Поскольку мы знаем окислительные числа водорода и кислорода, найти заряды азота и серы в каждом ионе не составит труда.

В ионе NH₄⁺ формула для определения заряда азота будет следующей: х + (+1) × 4 = 1. Понятно, что х = −3, т. е. степень окисления азота −3.

В ионе SO₄^2- формула для серы х + (−2) × 4 = −2. Следовательно, х = 6, т. е. заряд серы равен +6.

Получаем следующие окислительные числа: (N^-3H₄⁺¹)₂S⁺⁶O₄^-2.

Как определить высшую и низшую степень окисления

Выделяют высшую (или максимально положительную) и низшую (максимально отрицательную) степени окисления. В диапазоне между ними располагаются окислительные числа, которые могут принадлежать данному химическому элементу в различных соединениях. Для четных групп характерны четные числа в диапазоне, а для нечетных групп — нечетные.

Высшая степень окисления совпадает с номером группы элемента (для элементов в главной подгруппе) в короткой форме периодической системы.

Низшая степень окисления равна числу, которое получится, если от номера группы элемента отнять 8.

Исключения: фтор, железо, кобальт, родий, подгруппа никеля, кислород, благородные газы (помимо ксенона).

Проиллюстрируем на примере, как найти высшую и низшую степень окисления.

Хлор (Cl), согласно короткой периодической таблице, принадлежит к группе VII. Значит, его максимальное окислительное число будет +7. Такой условный заряд элемент приобретает в оксиде хлора Cl₂O₇ и хлорной кислоте HClO₄. Минимальное число получаем следующим образом: 7 − 8 = −1 (характерно для хлороводорода HCl).

Картинка

По степени окисления можно понять, как поведет себя вещество в окислительно-восстановительных реакциях. Если в соединении главный действующий элемент имеет высшую степень окисления, оно является окислителем, а если он имеет низшую степень окисления — восстановителем.

Например, серная кислота является окислителем, поскольку у серы в данном случае заряд +6. А вот в сернистой кислоте у серы заряд всего +4, поэтому она может проявлять и окислительную способность, и восстановительную. В сероводороде заряд серы равен −2, и это минимальная степень окисления, а значит, данное вещество — восстановитель.

Как найти степень окисления в органическом соединении

В органической химии определять окислительные числа элементов немного сложнее, поскольку все органические вещества включают углерод, известный большим количеством неполярных связей. Если у нас всего один атом углерода, можно использовать стандартный способ.

Пример

Рассчитайте степень окисления углерода в метаноле H₃C−OH.

Мы знаем, что водород Н имеет окислительное число +1, а у кислорода в данном случае оно равно −2. Составим уравнение:

х + (+1) × 4 + (+2) × 1 = 0

х + 4 − 2 = 0

х = −2

Заряд углерода равен −2, т. е. C^-2H₄⁺¹O^-2.

Но что делать, если атомов углерода больше? Придется анализировать структурную формулу, чтобы понять, какие химические связи есть между элементами и сколько электронов они теряют/приобретают в результате. Такой вариант нахождения окислительного числа называют графическим.

Графический метод

1. Нарисуйте структурную формулу соединения.

2. Изобразите стрелками химические связи и смещение атомов (все связи между атомами углерода С−С считайте неполярными).

3. Посчитайте, сколько стрелок ведет к атому (это «−») и сколько от него (это «+»), а затем суммируйте «+» и «−», чтобы узнать степень окисления.



Валентность и степень окисления: в чем разница?

Школьники, которые только начали изучать данные разделы химии, нередко путают степень окисления и валентность. Численно эти показатели могут совпадать (но далеко не всегда), а вот по смыслу они в корне различаются.

Важно!

Валентность показывает, какое количество связей способен образовать один атом, а степень окисления — сколько электронов перемещается в результате этих связей.



Между этими двумя понятиями есть следующие отличия:

• валентность не имеет знака, в то время как у окислительного числа он есть («+» или «−»);

• валентность равна нулю только в том случае, если атом не имеет связей с другими частицами, а степень окисления может быть равна нулю и при наличии таких связей;

• вычисляя степень окисления, мы предполагаем, что в соединении ионные связи, хотя на самым деле это может быть не так, а валентность всегда имеет реальный смысл.

Поэтому отождествлять эти два понятия ни в коем случае не стоит. Более того, не нужно ориентироваться на валентность, пытаясь определить окислительное число.

Вопросы для самопроверки

1. Почему степень окисления называют формальным зарядом, условным?

2. Что отражает численная величина степени окисления?

3. Чему равна сумма всех окислительных чисел в ионе?

4. Как определить низшую степень окисления?

5. Как найти две неизвестных степени окисления в одном веществе?

6. Как определять степени окисления в органических веществах?

Что это такое

В химии описание различных окислительно-восстановительных процессов не обходится без степеней окисления – специальных условных величин, при помощи которых можно определить заряд атома какого-либо химического элемента.

Если представить степень окисления (не путайте с валентностью, так как во многих случаях они не совпадают) как запись в тетради, то мы увидим просто цифры со знаками ноль (0 – в простом веществе), плюс (+) или минус (-) над интересующим нас веществом. Как бы то ни было, они играют огромную роль в химии, а умение определять СО(степень окисления) – это необходимая база в изучении данного предмета, без которой дальнейшие действия смысла не имеют.

Мы используем СО, чтобы описать химические свойства вещества (или отдельного элемента), верного написания его международного названия (понятного для любой страны и нации вне зависимости от используемого языка) и формулы, а также для классификации по признакам.

Степень может быть трёх видов: высшая (для её определения требуется знать, в какой группе находится элемент), промежуточная и низшая (необходимо из числа 8 вычесть номер группы, в которой располагается элемент; естественно, цифра 8 берётся потому, что всего в периодической системе Д.Менделеева 8 групп). Подробно об определении степени окисления и правильном её расставлении будет сказано ниже.

Как определяется степень окисления: постоянная СО

Во-первых, СО может быть переменной или постоянной

Определение постоянной степени окисления не составляет большого труда, поэтому урок лучше начинать именно с неё: для этого необходимо только умение пользоваться ПС (периодической системой). Итак, существует ряд определённых правил:

1. Нулевая степень. Выше было упомянуто – её имеют исключительно простые вещества: S, O2, Al, K и так далее.
2. Если молекулы нейтральны (иными словами, они не имеют электрического заряда), то в сумме их степени окисления равняются нулю. Однако в случае с ионами сумма должна равняться заряду самого иона.
3. В I, II, III группах таблицы Менделеева расположены преимущественно металлы. Элементы этих групп имеют положительный заряд, номер которого соответствует номеру группы (+1, +2, или +3). Пожалуй, большое исключение составляет железо (Fe) – его СО бывает как +2, так и +3.
4. СО водорода (H) чаще всего бывает +1 (при взаимодействии с неметаллами: HCl, H2S), но в отдельных случаях мы ставим -1 (при образовании гидридов в соединениях с металлами: KH, MgH2).
5. СО кислорода (O) +2. Соединения с данным элементом образуют оксиды (MgO, Na2O, H20 – вода). Однако есть и случаи, когда кислород имеет степень окисления -1 (при образовании пероксидов) или и вовсе выступает в роли восстановителя (в соединении с фтором F, потому что окислительные свойства кислорода слабее).

На основе данных сведений расставляются степени окисления во множестве сложных веществ, описываются окислительно-восстановительные реакции и прочее, однако об этом позже.

Переменная СО

Некоторые химические элементы отличаются тем, что имеют не одну степень окисления и меняют её в зависимости от того, в какой формуле стоят. Согласно правилам сумма всех степеней также должна равняться нулю, но для её нахождения необходимо проделать некоторые вычисления. В письменном варианте это выглядит как просто алгебраическое уравнение, но со временем мы «набиваем руку», и не составляет труда составить и быстро выполнить весь алгоритм действий мысленно.

Разобраться на словах будет не так легко, и лучше сразу перейти к практике:

HNO3 – в данной формуле определить степень окисления азота (N). В химии мы и читаем названия элементов, и подходим к расставлению степеней окисления тоже с конца. Итак, известно, что СО кислорода -2. Мы должны умножить степень окисления на коэффициент справа (если он есть): -2*3=-6. Далее переходим к водороду (H): его СО в уравнении будет +1. Значит, чтобы в сумме СО давали ноль, нужно прибавить 6. Проверка: +1+6-7=-0.

Дополнительные упражнения можно будет найти в конце, но прежде всего нам требуется определить, какие элементы имеют переменную степень окисления. В принципе, все элементы, не считая первых трёх групп, меняют свои степени. Наиболее ярким примером служат галогены (элементы VII группы, не считая фтора F), IV группа и благородные газы. Ниже вы увидите перечень некоторых металлов и неметаллов с переменной степенью:

• H (+1, -1);
• Be (-3, +1, +2);
• B (-1, +1, +2, +3);
• C (-4, -2, +2, +4);
• N (-3, -1, +1, +3, +5);
• O (-2, -1);
• Mg (+1, +2);
• Si (-4, -3, -2, -1, +2, +4);
• P (-3, -2, -1, +1, +3, +5);
• S (-2, +2, +4, +6);
• Cl (-1, +1, +3, +5, +7).

Это лишь небольшое количество элементов. Чтобы научиться определять СО, требуется изучение и практика, однако это не значит, что нужно заучивать все постоянные и переменные СО наизусть: просто запомните, что последние встречаются значительно чаще. Зачастую немалую роль играет коэффициент и то, какое вещество представлено – к примеру, в сульфидах отрицательную степень принимает сера (S), в оксидах – кислород (O), в хлоридах – хлор (Cl). Следовательно, в этих солях положительную степень принимает другой элемент (и называется в данной ситуации восстановителем).

Решение задач на определение степени окисления

Теперь мы подошли к самому главному – практике. Попробуйте выполнить следующие задания сами, а затем посмотрите разборку решения и сверьте ответы:

1. K2Cr2O7 – найти степень хрома.
   СО у кислорода -2, у калия +1, а у хрома обозначим пока что как неизвестную переменную x. Суммарное значение равняется 0. Следовательно, составим уравнение: +1*2+2*x-2*7=0. После решения получаем ответ 6. Сделаем проверку – всё совпало, значит, задание решено.
2. H2SO4 – найти степень серы.
   По той же концепции составляем уравнение: +2*1+x-2*4=0. Далее: 2+x-8=0.x=8-2; x=6.

Краткое заключение

Чтобы научиться определять степень окисления самостоятельно, вам нужно не только уметь составлять уравнения, но и основательно взяться за изучение свойств элементов различных групп, вспомнить уроки алгебры, составляя и решая уравнения с неизвестной переменной.
Не забывайте, что в правилах есть свои исключения и о них нельзя забывать: речь идёт об элементах с переменной СО. Также для решения многих задач и уравнений необходимо умение расставлять коэффициенты (и знать, с какой целью это делается).

Редакция «Учисьучись.рф»

Валентность химических элементов

Валентность элемента — число химических связей, которые образует один атом данного элемента в данной молекуле.

Валентные возможности атома определяются числом:

• неспаренных электронов
• неподеленных электронных пар
• вакантных валентных орбиталей

Правила определения валентности элементов в соединениях

1. Валентность водорода принимают за I (единицу).
2. Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II.
3. Высшая валентность равна номеру группы.
4. Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в таблице) и номером группы, в которой находится данный элемент, т.е. 8 – № группы.
5. Валентность может быть постоянной или переменной.
6. Валентность простых веществ не равна нулю. Исключение VIII группа главная подгруппа (благородные газы).

Валентность элементов не имеет знака.

У металлов, находящихся в главных подгруппах, валентность равна номеру группы. 

У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая.

Пример

Сера (S) имеет высшую валентность VI и низшую (8 – 6), равную II.

Фосфор (P) проявляет валентности V и III.

Запомни!

В большинстве случаев валентность и степень окисления численно совпадают, хотя это разные характеристики. Но!

• СО (монооксид углерода) — валентность атома углерода равна III, а степень окисления +2
• HNO3 (азотная кислота) — валентность атома азота равна IV, а степень окисления +5
• Н2О2 (пероксид водорода) — валентность водорода равна I, валентность атома кислорода равна II, а степень окисления водорода равна +1, а степень окисления кислорода равна -1. Аналогично во всех пероксидах валентность кислорода равна II.
• N2H4 (гидразин) — валентность азота равна III, а степень окисления равна +2.
•  H2 (I), N2 (III), O2 (II), F2 (I), Cl2 (I), Br2 (I), I2 (I), а степени окисления равны 0.

Степень окисления химических элементов

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный в предположении, что все связи в соединении ионные (то есть все связывающие электронные пары полностью смещены к атому более электроотрицательного элемента).

Численно она равна количеству электронов, которое отдает атом приобретающий положительный заряд, или количеству электронов, которое присоединяет к себе атом, приобретающий отрицательный заряд.

Различие понятий степень окисления и валентность

Понятие валентность используется для количественного выражения электронного взаимодействия в ковалентных соединениях, то есть в соединениях, образованных за счет образования общих электронных пар. Степень окисления используется для описания реакций, которые сопровождаются отдачей или присоединением электронов.

В отличии от валентности, являющейся нейтральной характеристикой, степень окисления может иметь положительное, отрицательное, или нулевое значение. Положительное значение соответствует числу отданных электронов, а отрицательная числу присоединенных. Нулевое значение означает, что элемент находится либо в форме простого вещества, либо он был восстановлен до 0 после окисления, либо окислен до нуля после предшествующего восстановления. 

Определение степени окисления конкретного химического элемента

Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.

Элементы с постоянной степенью окисления

Степень окисления = +№ группы

I группа главная подгруппа степень окисления +1.

II группа главная подгруппа степень окисления +2.

III группа главная подгруппа (бор, алюминий) степень окисления равна +3. 

Исключения

• Водород (H) в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, за исключением Si(+4)H4(-), B2(+3)H6(-), B(+3)H3(-), где водород принимает степень окисления -1, а в соединениях с металлами водород всегда имеет степень окисления -1: Na(+)H(-), Ca(+2)H2(-). 
• Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Однако в составе пероксидов его степень окисления равна -1 (например H2(+)O2(-), Na(2+)O(2-), Ba(+2)O2(-) и др.), а в соединениях с более электроотрицательным элементом — фтором — степень окисления кислорода положительна: O2(+)F2(-), O(+2)F2(-).
• Фтор (F) как наиболее электроотрицательный элемент во всех соединениях проявляет степень окисления -1 (хотя расположен в VII группе главной подгруппе).
• Серебро (Ag) имеет постоянную степень окисления +1 (хотя расположен в I группе побочной подгруппе).
• Цинк (Zn) имеет постоянную степень окисления +2 (хотя расположен во II группе побочной подгруппе).

Элементы с переменной степенью окисления

Все остальные элементы (за исключением VIII группы главной подгруппы).

Для элементов главных подгрупп:

• Высшая степень окисления = +№ группы.
• Низшая степень окисления = +№ группы – 8.
• Промежуточная степень окисления = +№ группы – 2.

Пример

Фосфор (P)

• Высшая степень окисления = +5.
• Низшая степень окисления = -3.
• Промежуточная степень окисления = +3.

Если молекула образована ковалентными связями, то более электроотрицательный атом имеет отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательный — положительную. 

При определении степени окисления в продуктах химических реакций исходят из правила электронейтральности, в соответствии с которым сумма степеней окисления различных элементов, входящих в состав вещества, должна быть равна нулю. 

Примеры определения степеней окисления в сложных веществах

Задание 1

Определите степени окисления всех элементов в соединение N2O5.

Решение

В молекуле N2O5 более электроотрицательным является атом кислорода, следовательно, он находится в своей низшей степени окисления -2, а атом азота имеет степень окисления +5. Полученная алгебраическая сумма степеней окисления будет равняться нулю: 2*(+5) + 5*(-2) = 0.

Задание 2

Определите степени окисления всех элементов в соединение Na2SO4.

Решение

Степень окисления натрия равна +1, так как это элемент первой группы главной подгруппы. Степень окисления кислорода равна -2, так как данное соединение не относится к исключениям. Сера — это элемент VI группы главной подгруппы, поэтому у нее переменная степень окисления, которую нужно рассчитать.

Степень окисления серы (S) обозначаем за х, учитываем, что алгебраическая сумма степеней окисления равна 0, а также принимаем во внимание число атомов каждого химического элемента, получаем уравнение: 2*(+1) + х + 4(-2) = 0. Отсюда х  = +6. 

Задание 3

Определите степени окисления всех элементов в соединение K2Cr2O7.

Решение

Степень окисления калия равна +1, так как это элемент первой группы главной подгруппы. Степень окисления кислорода равна -2, так как данное соединение не относится к исключениям. Хром — это элемент VI группы побочной подгруппы, поэтому у нее переменная степень окисления, которую нужно рассчитать.Степень окисления серы (Cr) обозначаем за х, учитываем, что алгебраическая сумма степеней окисления равна 0, а также принимаем во внимание число атомов каждого химического элемента, получаем уравнение: 2*(+1) + 2*х + 7(-2) = 0. Отсюда х  = +6. 

Полезные ссылки

Источник материала

Валентность химических элементов (видео)

Степень окисления (видео)

Валентные возможности углерода (видео)

Валентные возможности азота (видео)

Дополнительные материалы

Валентные возможности атомов химических элементов (видео)

Цель урока: повторить и углубить знания учащихся о валентности и степени окисления атомов, познакомить с понятием валентные возможности атомов.

Задачи урока:

• дать понятия «валентность», «валентные электроны»;
• научить определять валентность атома в основном состоянии;
• закрепить знания о возбужденном состоянии атома и научить определять его валентные возможности;
• закрепить знание понятия «степень окисления», научить определять С.О. в бинарных соединениях и более сложного состава;
• убедиться в существенном различии понятий «степень окисления» и «валентность атома»;
• дать представление об атомах-донорах и атомах-акцепторах.

Скачать видеоурок «Валентные возможности атомов. Степень окисления»

Данный материал будет полезен учащимся 11 классов при подготовке к ЕГЭ, при закреплении и повторении изученного материала в предыдущих классах.

Как вы знаете, атомы большинства химических элементов взаимодействуют с другими атомами и образуют множество соединений. Но почему так происходит? Ответ на этот вопрос долгое время оставался неизвестен.

Первой попыткой объяснить химическое взаимодействие была теория Бертолле. Атомы должны притягиваться друг к другу тем сильнее, чем больше их массы. А по электрохимической теории Берцелиуса, каждый атом имеет два противоположно заряженных полюса. Теория делила все элементы на два класса — металлы с преобладанием положительного заряженного полюса и металлоиды с отрицательным заряженным полюсом. Причём считалось, что соединяться друг с другом могли лишь атомы противоположной электрической природы.

Эта теория была отвергнута, когда выяснилось, что элементы одного и того же класса также могут соединяться друг с другом. И только лишь в 20 столетии возникли два направления теории химического взаимодействия на основе электронных представлений, основные положения которых были сформулированы Косселем и Льюисом. С точки зрения Косселя, движущей причиной химического взаимодействия является «стремление» атомов к достижению наиболее устойчивых электронных конфигураций. Основной недостаток теории Косселя в том, что не все соединения могут рассматриваться с ионной точки зрения. Между тем идея Льюиса об образовании электронной пары позволяет охватить самые разнообразные случаи валентной связи и сохраняет свое значение до сих пор.

Впервые понятие «валентности» как соединительной силы ввел Э. Франкланд. Он считал, что взаимодействие разнообразных атомов происходит благодаря валентным силам.

Из всего вышесказанного приходим к выводу, валентность — это мера способности атомов притягиваться друг к другу посредством общих электронных пар. Валентность, как правило, обозначается римской цифрой. Рассмотрим электронные конфигурации атомов, чтобы разобраться, как возникают валентные взаимодействия между атомами.

В основном состоянии на внешних энергетических уровнях, а иногда и на предвнешних уровнях атомов, могут находиться спаренные и неспаренные электроны. Валентность атома определяется числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи.

У s- и p-элементов валентные электроны расположены на s- и p-подуровнях внешнего энергетического уровня.

Например, литий, у которого заряд ядра +3, 3 электрона, это s-элемент, атом имеет один неспаренный s-электрон, значит валентность лития I.

Рассмотрим другой пример, азот. Заряд его атома +7, у него 7 электронов. Это p-элемент. Соответственно, азот имеет 5 валентных электронов — два спаренных s- электрона и 3 неспаренных p-электрона.

У d-элементов валентные электроны находятся на s-подуровне последнего энергетического уровня и d-подуровне предвнешнего энергического уровня.

Например, у атома титана заряд ядра +22, соответственно столько же электронов — 22. Титан имеет 4 валентных электрона, 2 спаренных s-электронов и два неспаренных d-электронов.

У f-элементов валентные электроны располагаются на s-подуровне последнего энергетического уровня и d-подуровне предпоследнего энергетического уровня и f- подуровня, третьего с края энергетического уровня.

Например, у атома эйнштейния заряд ядра +99, столько же у него и электронов. Эйнштейний имеет 13 валентных электронов, 12 спаренных и 1 неспаренный на 5f-подуровне. Этому элементу было присвоено название эйнштейний в честь выдающегося ученого двадцатого столетия Альберта Эйнштейна, внесшего большой вклад в науку об атоме и атомном ядре.

Следует усвоить, что основные свойства элементов определяются валентными электронами, а уровни, подуровни, на которых располагаются валентные электроны, называются валентными. Самыми первыми вступают в реакцию неспаренные электроны, расположенные на внешнем энергетическом уровне. Количеством этих неспаренных электронов и определяет валентность. Если на спаренные электроны, при имеющейся свободной орбитали в атоме, подействует энергия извне, эти электроны распариваются и атом переходит из основного состояния в возбужденное. Энергия, затраченная на переход электронов, компенсируется при образовании новых связей.

Валентные возможности атомов также определяются числом пустых орбиталей и числом неподеленных электронных пар. Атом-донор предоставляет неподеленную электронную пару атому-акцептору, который имеет свободные орбитали.

Например, заряд ядра атома фосфора +15, число электронов 15. В основном состоянии атом фосфора, который относится к p-элементам, на внешнем уровне содержит 1 пару спаренных электронов и 3 неспаренных электрона. Поэтому, он проявляет валентность III, так как у него 3 неспаренных p-электрона. Валентность азота IV, так как атом фосфора это атом-донор, который может предоставить пару электронов для образования химической связи.

При имеющихся вакантных орбиталях на 3d-подуровне и паре спаренных электронов на 3s-подуровне атом фосфора может переходить в возбужденное состояние. Это происходит за счёт распаривания и перехода электрона на свободную орбиталь другого подуровня. В атоме появляется 5 неспаренных электронов, что и обеспечивает возможность существования валентности атома фосфора — V.

Поэтому, если у элементов на внешнем энергетическом уровне есть неспаренные электроны, то они являются активными элементами или реакционноспособными. А если на внешнем уровне электроны находятся только в спаренном состоянии, тогда эти элементы относят к малоактивным.

Например, к малоактивным химическим элементам относят VIIIA группу химических элементов Периодической системы. Их так и называют — благородные или инертные (малоактивные) химические элементы — так как на внешнем слое этих элементов все электроны находятся в спаренном состоянии. Нет свободных или неспаренных электронов, которые образовывали связи с электронами других химических элементов.

Следует запомнить, что s-, d-, f-элементы — это металлические элементы, кроме некоторых исключений. Так как на последнем уровне у них электронов меньше, чем 3; у неметаллических элементов, наоборот, на последнем уровне электронов больше, чем 4.

P-элементы могут быть металлические и неметаллические. Рассмотрим Периодическую систему химических элементов. По диагонали от бора к астату все p-элементы выше диагонали — неметаллические, ниже — металлические. По строению элементы, у которых на внешнем энергетическом уровне 3 или 4 электрона, считаются переходными элементами; многие d-элементы — металлические с переходными свойствами.

У элементов в соединении можно определить не только валентность, но и степень окисления. Степень окисления — это условный заряд атома — положительный или отрицательный, в зависимости от смещения электронов от атома или к нему, если считать все связи в веществе ионными. Степень окисления и валентность это не одно и тоже понятие. Например, атом углерода в органических соединениях четырёхвалентен, однако степени окисления имеет различные.

Запомним, если в соединении атом не проявляет валентность как донор, то степень окисления численно совпадает с валентностью. Например, в молекуле аммиака валентность азота равна III и степень окисления равна тоже -3. И наоборот, если в соединении атом проявляет валентность как донор, то степень окисления численно не совпадает с валентностью. У катиона аммония атом азота проявляет валентность IV, а степень окисления -3.

Степень окисления может быть минимальной, промежуточной и максимальной.

Минимальная степень окисления для неметаллических элементов определяется числом валентных мест в незавершенном энергетическом уровне. У атома углерода она равна -4, так как до устойчивости внешнего энергетического уровня атома углерода (до 8 электронов) число валентных мест — 4. Соответственно, у атома азота минимальная степень окисления -3, у кислорода — -2.

Максимальная степень окисления определяется суммой s- и p-электронов на внешних энергетических уровнях, а для d-элементов — суммой s- и d-электронов.

Например, атом титана — это d-элемент, металлический. На внешнем электронном слое у него находится 4 электрона. Значит, максимальная степень окисления титана +4.

Промежуточными степенями окисления считаются значения между минимальной и максимальной степенями окисления в атомах химических элементов.

Определим степень окисления в бинарных соединениях на примере оксидов азота. Более электроотрицательным элементом, к которому смещаются электроны во всех оксидах, является кислород. Как мы помним, минимальная степень окисления кислорода равнa -2, а молекула всегда электронейтральна. Следовательно, произведение степени окисления электроотрицательного элемента на количество атомов по абсолютной величине равно произведению его электроположительного элемента на количество атомов. Таким образом, определяется валентность в соединениях, состоящих из двух элементов, то есть бинарных.

В соединениях более сложного состава необходимо расставить известные степени окисления химических элементов, а неизвестную степень окисления обозначить, например, за «x». Далее так же, как и в бинарных соединениях решаем уравнение с одной неизвестной и получаем ответ по абсолютной величине.

В простых веществах с неполярной ковалентной связью степень окисления равна 0. Степень окисления углерода в органических соединениях определяется у каждого в отдельности, учитывая степень окисления элементов, связанных с ним.