Как сделать степень окисления

Обновлено: 04.07.2024

Электроотрицательность — способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.

Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:

График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.

При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.

Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.

Степень окисления

Степень окисления – условный заряд атома химического элемента в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.

Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?

1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.

2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:

Элементы, проявляющие постоянную СО

Значение постоянной СО этого элемента

3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:

Элемент

Степень окисления практически во всех соединениях

Исключения

4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.

5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)

Химический элемент

Номер группы

Высшая степень окисления

6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:

низшая степень окисления неметалла = №_группы − 8

Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.

Нахождение степеней окисления элементов в различных соединениях

Пример 1

Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.

Решение:

Запишем формулу серной кислоты:

Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).

Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF₂). Расставим известные степени окисления:

Обозначим степень окисления серы как x:

Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:

Т.е. мы получили следующее уравнение:

Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.

Пример 2

Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.

Решение:

Запишем формулу дихромата аммония:

Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:

Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).

Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH₄ + (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости). Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH₄ + , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH₄ + и анионами Cr₂O₇ 2- .

Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:

Т.е. мы получаем два независимых уравнения:

Решая которые, находим x и y:

Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.

Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать здесь.

Валентность

Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.

Валентные возможности атома зависят от количества:

1) неспаренных электронов

2) неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней

3) пустых электронных орбиталей валентного уровня

Валентные возможности атома водорода

Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:

Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.

Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.

Валентные возможности атома углерода

Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:

Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.

Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных ( ) орбиталей валентного уровня. Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:

Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:

1) Для углерода возможны валентности II, III, IV

2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV

3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму

Валентные возможности атома азота

Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:

Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH₃), азотистой кислоты (HNO₂), треххлористого азота (NCl₃) и т.д.

Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( ) предоставляет ее другому атому с вакантной ( ) орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е. для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:

Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.

Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии. Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO₃ или оксида азота N₂O₅? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:

em>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:

1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV

2) Валентности V у азота не бывает!

3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N₂O₅ азот имеет валентность IV, а степень окисления +5 (!).

4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH₄ + , азотная кислота и д.р).

Валентные возможности фосфора

Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:

Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.

Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d-подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.

В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3 s -орбитали:

Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.

Валентные возможности атома кислорода

Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:

Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).

Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d-подуровня, распаривание электронов s и p-орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.

Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.

Валентные возможности атома серы

Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:

У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H₂S.

Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d-подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p-подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:

В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO₂, SF₄, SOCl₂ и т.д.

При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s-подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:

В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO₃, H₂SO₄, SO₂Cl₂ и т.д.

Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.

Степень окисления – формальный заряд атома. Данное определение справедливо, если предполагать, что связи внутри молекулы ионные. Она соответствует количеству смещенных электронов. Если они смещаются к атому, то степень окисления отрицательна, а если от атома, то положительна.

Классификация

Правила

Для атомов металла свойственен только положительный заряд.
Водород в молекулах с металлами находится в степени окисления -1, а с неметаллами +1.
У кислорода, как правило, условный заряд атома равен -2, но в пероксидах -1.

Как найти степень окисления

Только для простых веществ свойственен нулевой условный заряд – Fe 0 , Cl₂ 0 , Al 0 . В сложных веществах степень определяют у каждого атома, отталкиваясь от их положения в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева.

В бинарных соединениях

Определить степень окисления каждого атома в сульфиде меди (II) CuS.
Формальный заряд серы -2.
Чтобы найти степень окисления меди, следует установить коэффициент у каждого атома. В сульфиде меди (II) у серы и меди коэффициенты равны одному.
Степень окисления серы нужно умножить на коэффициент серы и разделить на коэффициент меди: -2*1:1. В результате уравнения получается -2. Таким образом, медь – металл, проявляющий положительную степень окисления, которая в этом случае равна +2.

В молекулах с тремя элементами

Определить степень окисления каждого атома в молекуле NaOH.
Найти каждый элемент в таблице Менделеева.
Натрий – металл первой группы, проявляющий степень окисления +1. Водородный атом также располагается в первой группе и ему свойственна степень окисления +1.
Кислород – представитель шестой группы и ему практически всегда характерна степень окисления -2.
Суммарный заряд в молекуле должен быть нулевым. Чтобы подтвердить это положение, необходимо суммировать все степени окисления: +1-2+1=0.

В соединении, где есть элемент с переменной степенью окисления

Определить степени окисления атомов в серной кислоте H₂SO₄.
Найти каждый элемент в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева.
Водородный атом проявляет степень окисления +1, а кислородный -2.
Степень окисления серы нужно обозначить как х.
Суммарный заряд молекулы серной кислоты равен нулю. Чтобы определить степень окисления серы, необходимо составить уравнение: 1*2+х*1+(-2)*4=0. В результате уравнения х=6 и степень окисления серы +6.

Степени окисления ионов можно найти не только в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева, но и в таблице растворимости. Поэтому для удобства рекомендуется также использовать таблицу растворимости.

Степень окисления – это условный заряд атомов 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.

Степень окисления – это условная величина, отражающая количество принятых или отданных электронов при образовании заряженной частицы из электронейтрального атома при условии, что электроны переходят от одного атома к другому полностью.

Вспомним, что идеальное количество электронов на внешнем электронном уровне атома равно восьми. Такую конфигурацию внешнего слоя имеют атомы большинства благородных газов (кроме гелия). И к такой электронной конфигурации стремятся атомы других элементов.

Как определить степень окисления

Конфигурация благородного газа

Потеряв один электрон, натрий приобретает положительный заряд, становится катионом (положительно заряженной частицей). Это объясняется тем, что ядро натрия по-прежнему имеет 11 протонов, а вот электронная оболочка, после взаимодействия с хлором, содержит 10 электронов. Таким образом, натрий будет иметь 11 положительно заряженных частиц и 10 отрицательно заряженных частиц. По простейшему уравнению: +11 – 10 = +1, становится ясно, откуда взялся положительный заряд.

Аналогичный расчет можно привести и для хлора. После взаимодействия с натрием ядро атома хлора не изменяется, оно содержит 17 положительно заряженных частиц (протонов), а оболочка – 18 отрицательно заряженных частиц (электронов). +17 – 18 = ‒1.

Полученные заряды и являются степенями окисления.

Постоянные степени окисления.

Знания этой простой, базовой темы помогут Вам решать не только тестовые задания. Одно из самых сложных заданий ЕГЭ – расстановка коэффициентов с помощью электронного баланса – не решается без знания степеней окисления.

*В таблице указаны не все возможные степени окисления.

Таким образом, медь, серебро, золото и железо не проявляют высшей степени окисления, равной номеру группы, у остальных же элементов высшая степень окисления равна номеру группы.

Для определения степени окисления не нужно учить всю таблицу, и тем более все степени окисления. Они приведены для справки, наиболее важными являются:

Определение степеней окисления в бинарных соединениях

Для примера возьмём оксид фосфора (P₂O₅)

Определим степень окисления известного элемента (в нашем случае это кислород).

Условно разделим молекулу на две части: чаще всего первая часть молекулы положительная, а вторая – отрицательная (искл: NH₃ и PH₃).

Молекула должна быть электронейтральной, то есть количество положительных и отрицательных зарядов должны быть равными. Из этого следует, что все атомы фосфора в данной молекуле в сумме должны иметь десять положительных зарядов.

Аналогичным образом происходит определение степени окисления в более сложных веществах, для примера возьмём перманганат калия (KMnO₄):

Подпишем степени окисления для элементов, имеющих постоянные их значения:

Посчитаем общее количество положительных и отрицательных зарядов с учетом индексов:

Ну и напоследок разберем степени окисления элементов в дихромате калия (K₂Cr₂O₇):

Делим молекулу на положительную и отрицательную части:

Подсчитываем, сколько положительных зарядов не достает для того, чтобы молекула стала электронейтральной (т. е. такой молекулой, в которой количество положительных и отрицательных зарядов было одинаковым):

Так как молекула содержит два атома хрома, двенадцать положительных зарядов должны распределиться между ними поровну, то есть, каждый хром имеет заряд +6:

Как быть, если в формуле встретились скобки? Например, как посчитать степень окисления брома в пербромате кальция?

Для начала определим все известные степени окисления, как делали в предыдущих примерах:

Посчитаем сумму положительных и отрицательных зарядов. Важно учесть все индексы. Помните, что индекс. Расположенный за атомом действует только на этот атом, а индекс, расположенный за скобкой, действует на всё содержимое скобок:

Таким образом, в пербромате кальция содержится: один атом кальция, два атома брома и 8 атомов кислорода (индексы, относящиеся к одному и тому же атому перемножаются).

Читайте также: