Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .

Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.

Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (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.

Низшая степень окисления

Для элементов, проявляющих в своих соединениях различные степени окисления, существуют понятия высшей (максимальной положительной) и низшей (минимальной отрицательной) степеней окисления. Низшая степень окисления химического элемента обычно численно равна разности между номером группы в Периодической системе Д. И. Менделеева, в которой расположен химический элемент, и числом 8. Например, азот находится в VA группе, значит его низшая степень окисления равна (-3): V-VIII = -3; сера находится в VIA группе, значит её низшая степень окисления равна (-2): VI-VIII = -2 и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

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)

При изучении ионной и ковалентной полярной химических связей вы знакомились со сложными веществами, состоящими из двух химических элементов. Такие вещества называют бинарными (от лат. би - два) или двухэлементными.

Вспомним типичные бинарные соединения, которые мы приводили в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентной полярной химической связи: NaCl - хлорид натрия и НСl - хлороводород.

В первом случае связь ионная: атом натрия передал свой внешний электрон атому хлора и превратился при этом в ион с зарядом +1, а атом хлора принял электрон и превратился в ион с зарядом -1. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так:

В молекуле же хлороводорода НС1 химическая связь образуется за счёт спаривания неспаренных внешних электронов и образования общей электронной пары атомов водорода и хлора:

Правильнее представлять образование ковалентной связи в молекуле хлороводорода как перекрывание одноэлектронного s-облака атома водорода с одноэлектронным р-облаком атома хлора:

При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора: , т. е. электрон не полностью перейдёт от атома водорода к атому хлора, а частично, обусловливая тем самым частичный заряд атомов 5 (см. § 12): . Если же представить, что и в молекуле хлороводорода НСl, как и в хлориде натрия NaCl, электрон полностью перешёл от атома водорода к атому хлора, то они получили бы заряды +1 и -1: . Такие условные заряды называют степенью окисления. При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связующие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных ионов.

Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху, например:

Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов или к которым смещены общие электронные пары, т. е. атомы более электроотрицательных элементов. Фтор всегда имеет степень окисления -1 во всех соединениях. Кислород, второй после фтора по значению электроотрицательности элемент, почти всегда имеет степень окисления -2, кроме соединений со фтором, например:

Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, т. е. атомы менее электроотрицательных элементов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления. У металлов главных подгрупп: I группы (IA группы) во всех соединениях степень окисления равна +1, II группы (IIA группы) равна +2, III группы (IIIA группы) - +3, например:

но в соединениях с металлами у водорода степень окисления -1:

Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в свободном состоянии, например:

К понятию «степень окисления» близко понятие «валентность», с которым вы знакомились, рассматривая ковалентную химическую связь. Однако это не одно и то же.

Понятие «валентность» применимо для веществ, имеющих молекулярное строение. Подавляющее большинство органических веществ, с которыми вы будете знакомиться в 10 классе, имеет именно такое строение. В курсе основной школы вы изучаете неорганическую химию, предметом которой являются вещества как молекулярного, так и немолекулярного, например ионного, строения. Поэтому предпочтительнее использовать понятие «степень окисления».

Чем же отличается валентность от степени окисления?

Часто валентность и степень окисления численно совпадают, но валентность не имеет знака заряда, а степень окисления - имеет. Например, одновалентный водород имеет следующие степени окисления в различных веществах:

Казалось бы, что одновалентный фтор - самый электроотрицательный элемент - должен иметь полное совпадение значений степени окисления и валентности. Ведь его атом способен образовывать лишь одну-единственную ковалентную связь, так как ему недостаёт до завершения внешнего электронного слоя одного электрона. Однако и здесь наблюдается различие:

Ещё более различаются между собой валентность и степень окисления, если они численно не совпадают. Например:

В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, можно найти степень окисления другого элемента по формуле, например бинарного соединения. Так, найдём степень окисления хлора в соединении С1 2 O 7 .

Обозначим степень окисления кислорода: . Следовательно, семь атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд (-2) × 7 = -14. Тогда общий заряд двух атомов хлора будет равен +14, а одного атома хлора: (+14) : 2 = +7. Следовательно, степень окисления хлора равна .

Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например карбида алюминия (соединения алюминия и углерода).

Нетрудно заметить, что аналогично вы работали с понятием «валентность», когда выводили формулу ковалентного соединения или определяли валентность элемента по формуле его соединения.

Названия бинарных соединений образуют из двух слов - названий входящих в их состав химических элементов. Первое слово обозначает электроотрицательную часть соединения - неметалл, его латинское название с суффиксом -ид стоит всегда в именительном падеже. Второе слово обозначает электроположительную часть - металл или менее электроотрицательный элемент, его название всегда стоит в родительном падеже:

Например: NaCl - хлорид натрия, MgS - сульфид магния, КН - гидрид калия, СаО - оксид кальция. Если же электроположительный элемент проявляет разные степени окисления, то это отражают в названии, обозначив степень окисления римской цифрой, которую ставят в конце названия, например: - оксид железа (II) (читают «оксид железа два»), - оксид железа (III) (читают «оксид железа три»).

Если соединение состоит из двух элементов-неметаллов, то к названию более электроотрицательного из них прибавляют суффикс -ид, второй компонент ставится после этого в родительном падеже. Например: - фторид кислорода (II), - оксид серы (IV) и - оксид серы (VI).

В некоторых случаях число атомов элементов обозначают при помощи названий числительных на греческом языке - моно, ди, три, тетра, пента, гекса и т. д. Например: - монооксид углерода, или оксид углерода (II), - диоксид углерода, или оксид углерода (IV), - тетрахлорид свинца, или хлорид свинца (IV).

Чтобы химики разных стран понимали друг друга, потребовалось создание единой терминологии и номенклатуры веществ. Принципы химической номенклатуры были впервые разработаны французскими химиками А. Лавуазье, А. Фуркруа, Л. Гитоном де Мерво и К. Бертолле в 1785 г. В настоящее время Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) координирует деятельность учёных разных стран и издаёт рекомендации по номенклатуре веществ и терминологии, используемой в химии.

Ключевые слова и словосочетания

  1. Бинарные, или двухэлементные, соединения.
  2. Степень окисления.
  3. Химическая номенклатура.
  4. Определение степеней окисления элементов по формуле.
  5. Составление формул бинарных соединений по степеням окисления элементов.

Работа с компьютером

  1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
  2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

  1. Запишите формулы оксидов азота (II), (V), (I), (III), (IV).
  2. Дайте названия бинарных соединений, формулы которых: а) С1 2 0 7 , С1 2 O, С1O 2 ; б) FeCl 2 , FeCl 3 ; в) MnS, MnO 2 , MnF 4 , MnO, MnCl 4 ; r) Cu 2 O, Mg 2 Si, SiCl 4 , Na 3 N, FeS.
  3. Найдите по справочникам и словарям всевозможные названия веществ с формулами: а) СO 2 и СО; б) SO 2 и SO 3 . Объясните их этимологию. Дайте по два названия этих веществ по международной номенклатуре в соответствии с правилами, изложенными в параграфе.
  4. Какое ещё название можно дать аммиаку H 3 N?
  5. Найдите объём, который имеют при н. у. 17 г сероводорода.
  6. Сколько молекул его содержится в этом объёме?
  7. Вычислите массу 33,6 м3 метана СН 2 при н. у. и определите число его молекул, содержащееся в этом объёме.
  8. Определите степень окисления углерода и запишите структурные формулы следующих веществ, зная, что углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен: метана СН 4 , тетрахлорметана СС1 4 , этана С 2 Н 4 , ацетилена С 2 Н 2 .

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.

Данный список степеней окисления показывает все известные степени окисления химических элементов периодической таблицы Менделеева. Список основан на таблице Гринвуда со всеми дополнениями. В строках, которые выделены цветом, вписаны инертные газы степень окисления которых равна нулю.

1 −1 H +1
2 He
3 Li +1
4 -3 Be +1 +2
5 −1 B +1 +2 +3
6 −4 −3 −2 −1 C +1 +2 +3 +4
7 −3 −2 −1 N +1 +2 +3 +4 +5
8 −2 −1 O +1 +2
9 −1 F +1
10 Ne
11 −1 Na +1
12 Mg +1 +2
13 Al +3
14 −4 −3 −2 −1 Si +1 +2 +3 +4
15 −3 −2 −1 P +1 +2 +3 +4 +5
16 −2 −1 S +1 +2 +3 +4 +5 +6
17 −1 Cl +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
18 Ar
19 K +1
20 Ca +2
21 Sc +1 +2 +3
22 −1 Ti +2 +3 +4
23 −1 V +1 +2 +3 +4 +5
24 −2 −1 Cr +1 +2 +3 +4 +5 +6
25 −3 −2 −1 Mn +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
26 −2 −1 Fe +1 +2 +3 +4 +5 +6
27 −1 Co +1 +2 +3 +4 +5
28 −1 Ni +1 +2 +3 +4
29 Cu +1 +2 +3 +4
30 Zn +2
31 Ga +1 +2 +3
32 −4 Ge +1 +2 +3 +4
33 −3 As +2 +3 +5
34 −2 Se +2 +4 +6
35 −1 Br +1 +3 +4 +5 +7
36 Kr +2
37 Rb +1
38 Sr +2
39 Y +1 +2 +3
40 Zr +1 +2 +3 +4
41 −1 Nb +2 +3 +4 +5
42 −2 −1 Mo +1 +2 +3 +4 +5 +6
43 −3 −1 Tc +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
44 −2 Ru +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8
45 −1 Rh +1 +2 +3 +4 +5 +6
46 Pd +2 +4
47 Ag +1 +2 +3
48 Cd +2
49 In +1 +2 +3
50 −4 Sn +2 +4
51 −3 Sb +3 +5
52 −2 Te +2 +4 +5 +6
53 −1 I +1 +3 +5 +7
54 Xe +2 +4 +6 +8
55 Cs +1
56 Ba +2
57 La +2 +3
58 Ce +2 +3 +4
59 Pr +2 +3 +4
60 Nd +2 +3
61 Pm +3
62 Sm +2 +3
63 Eu +2 +3
64 Gd +1 +2 +3
65 Tb +1 +3 +4
66 Dy +2 +3
67 Ho +3
68 Er +3
69 Tm +2 +3
70 Yb +2 +3
71 Lu +3
72 Hf +2 +3 +4
73 −1 Ta +2 +3 +4 +5
74 −2 −1 W +1 +2 +3 +4 +5 +6
75 −3 −1 Re +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
76 −2 −1 Os +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8
77 −3 −1 Ir +1 +2 +3 +4 +5 +6
78 Pt +2 +4 +5 +6
79 −1 Au +1 +2 +3 +5
80 Hg +1 +2 +4
81 Tl +1 +3
82 −4 Pb +2 +4
83 −3 Bi +3 +5
84 −2 Po +2 +4 +6
85 −1 At +1 +3 +5
86 Rn +2 +4 +6
87 Fr +1
88 Ra +2
89 Ac +3
90 Th +2 +3 +4
91 Pa +3 +4 +5
92 U +3 +4 +5 +6
93 Np +3 +4 +5 +6 +7
94 Pu +3 +4 +5 +6 +7
95 Am +2 +3 +4 +5 +6
96 Cm +3 +4
97 Bk +3 +4
98 Cf +2 +3 +4
99 Es +2 +3
100 Fm +2 +3
101 Md +2 +3
102 No +2 +3
103 Lr +3
104 Rf +4
105 Db +5
106 Sg +6
107 Bh +7
108 Hs +8

Высшая степень окисления элемента 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.

Степени окисления металлов в соединениях

Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные, если же говорить о неметаллах, то их степень окисления зависит от того, с каким атомом он соединён элемент:

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

Отрицательная степень окисления неметаллов

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

Обратите внимание, что степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.

Источники:

  • Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements - 2-е изд. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997
  • Green Stable Magnesium(I) Compounds with Mg-Mg Bonds / Jones C.; Stasch A.. - Журнал Science, 2007. - Декабрь (вып. 318 (№ 5857)
  • Журнал Science, 1970. - Вып. 3929. - № 168. - С. 362.
  • Журнал Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1975. - С. 760b-761.
  • Irving Langmuir The arrangement of electrons in atoms and molecules. - Журнал J. Am. Chem. Soc., 1919. - Вып. 41.

В химических процессах главную роль играют атомы и молекулы, свойства которых определяют исход химических реакций. Одной из важных характеристик атома является окислительное число, которое упрощает метод учета переноса электронов в частице. Как определить степень окисления или формальный заряд частицы и какие правила необходимо знать для этого?

Определение

Любая химическая реакция обусловлена взаимодействием атомов различных веществ. От характеристик мельчайших частиц зависит процесс реакции и ее результат.

Термин окисление (оксидация) в химии означает реакцию, в ходе которой группа атомов или один из них теряют электроны или приобретают, в случае приобретения реакцию называют «восстановлением».

Степень окисления – это величина, которая измеряется количественно и характеризует перераспределяемые электроны в ходе реакции . Т.е. в процессе оксидации электроны в атоме уменьшаются или увеличиваются, перераспределяясь между другими взаимодействующими частицами, и уровень оксидации показывает, как именно они реорганизуются. Данное понятие тесно связано с электроотрицательностью частиц – их умением притягивать и отталкивать от себя свободные ионы.

Определение уровня оксидации зависит от характеристик и свойств конкретного вещества, поэтому нельзя однозначно назвать процедуру вычисления легкой или сложной, но ее результаты помогают условно записать процессы окислительно-восстановительных реакций. Следует понимать, что полученный результат вычислений является результатом учета переноса электронов и не имеет физического смысла, а также не является истинным зарядом ядра.

Важно знать ! Неорганическая химия часто использует термин валентности вместо степени окисления элементов, это не является ошибкой, но следует учитывать, что второе понятие более универсальное.

Понятия и правила вычислений движения электронов являются основой для классификации химических веществ (номенклатура), описания их свойств и составления формул связи. Но наиболее часто данное понятие используется для описания и работы с окислительно-восстановительными реакциями.

Правила определения степени окисления

Как узнать степень окисления? При работе с окислительно-восстановительными реакциями важно знать, что формальный заряд частицы всегда будет равен величине электрона, выраженного в числовом значении. Эта особенность связана с тем предположением, что электронные пары, образующие связь, всегда полностью смещаются в сторону более отрицательных частиц. Следует понимать, что речь идет об ионных связях, а в случае реакции при электроны будут делиться поровну между одинаковыми частицами.

Окислительное число может иметь как положительные, так и отрицательные значения. Все дело в том, что в процессе реакции атом должен стать нейтральным, а для этого нужно либо присоединить к иону некое количество электронов, если он положительный, либо отнять их, если он отрицательный. Для обозначения данного понятия при записи формулы обычно прописывают над обозначением элемента арабскую цифру с соответствующим знаком. Например, или и т.д.

Следует знать, что формальный заряд металлов всегда будет положительным, а в большинстве случаев, чтобы определить его, можно воспользоваться таблицей Менделеева. Существует ряд особенностей, которые необходимо учитывать, чтобы определять показатели правильно.

Степень оксидации:

Запомнив эти особенности, достаточно просто будет определять окислительное число у элементов, независимо от сложности и количества уровней атомов.

Полезное видео: определение степени окисления

Периодическая таблица Менделеева содержит почти всю необходимую информацию для работы с химическими элементами. Например, школьники используют только ее для описания химических реакций. Так, чтобы определить максимальные положительные и отрицательные значения окислительного числа необходимо свериться с обозначением химического элемента в таблице:

  1. Максимально положительное – это номер группы, в которой находится элемент.
  2. Максимально отрицательная степень окисления – это разница между максимально положительной границей и числом 8.

Таким образом, достаточно просто узнать крайние границы формального заряда того или иного элемента. Такое действие можно совершить с помощью вычислений на основе таблицы Менделеева.

Важно знать ! У одного элемента могут быть одновременно несколько различных показателей оксидации.

Различают два основных способа определения уровня оксидации, примеры которых представлены ниже. Первый из них – это способ, который требует знаний и умений применять законы химии. Как расставлять степени окисления с помощью этого способа?

Правило определения степеней окисления

Для этого необходимо:

  1. Определить, является ли данное вещество элементарным и находится ли оно вне связи. Если да, то его окислительное число будет равно 0, независимо от состава вещества (отдельные атомы или многоуровневые атомные соединения).
  2. Определить, состоит ли рассматриваемое вещество из ионов. Если да, то степень оксидации будет равна их заряду.
  3. Если рассматриваемое вещество металл, то посмотреть на показатели других веществ в формуле и вычислить показания металла путем арифметических действий.
  4. Если все соединение имеет один заряд (по сути это сумма всех частиц представленных элементов), то достаточно определить показатели простых веществ, затем вычесть их от общей суммы и получить данные металла.
  5. Если связь нейтральная, то общая сумма должна быть равна нулю.

Для примера можно рассмотреть объединение с ионом алюминия, чей общий заряд равен нулю. Правила химии подтверждают тот факт, что ион Cl имеет окислительное число -1, а в данном случае их три в соединении. Значит ион Al должен быть равен +3, чтобы все соединение было нейтральным.

Этот способ весьма хорош, поскольку правильность решения всегда можно проверить, если сложить все уровни оксидации вместе.

Второй метод можно применять без знания химических законов:

  1. Найти данные частиц, по отношению к которым нет строгих правил и точное количество их электронов неизвестно (можно путем исключения).
  2. Выяснить показатели всех прочих частиц и после из общей суммы путем вычитания найти нужную частицу.

Рассмотрим второй метод на примере вещества Na2SO4, в котором не определен атом серы S, известно лишь, что он отличен от нуля.

Чтобы найти, чему равны все степени окисления необходимо:

  1. Найти известные элементы, помня о традиционных правилах и исключениях.
  2. Ион Na = +1, а каждый кислород = -2.
  3. Умножить количество частиц каждого вещества на их электроны и получить степени оксидации всех атомов, кроме одного.
  4. В Na2SO4 состоят 2 натрия и 4 кислорода, при умножении получается: 2 X +1 = 2 – это окислительное число всех частиц натрия и 4 X -2 = -8 – кислородов.
  5. Сложить полученные результаты 2+(-8) =-6 – это общий заряд соединения без частицы серы.
  6. Представить химическую запись в виде уравнения: сумма известных данных + неизвестное число = общий заряд.
  7. Na2SO4 представлено следующим образом: -6 + S = 0, S = 0 + 6, S = 6.

Таким образом, чтобы использовать второй метод, достаточно знать простые законы арифметики.