Степени окисления металлов и неметаллов. Валентность химических элементов. Степень окисления химических элементов

Химия подготовка к ЗНО и ДПА
Комплексное издание

ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Степень окисления

Степень окисления - это условный заряд на атоме в молекуле или кристалле, который возник на нем, когда бы все полярные связи, созданные им, имели ионный характер.

На отличие от валентности, степени окисления может быть положительным, отрицательным или равняться нулю. В простых ионных соединениях степень окисления совпадает с зарядами ионов. Например, в натрий хлориде NaCl (Na + Cl - ) Натрий имеет степень окисления +1, а Хлор -1, в кальций оксиде СаО (Са +2 О -2) Кальций проявляет степень окисления +2, а Оксисен - -2. Это правило распространяется на все основные оксиды: степень окисления металлического элемента равен заряду иона металла (Натрия +1, Бария +2, Алюминия +3), а степень окисления Кислорода равна-2. Степень окисления обозначают арабскими цифрами, которые ставят над символом элемента, подобно валентности, причем вначале указывают знак заряда, а потом его численное значение:

Если модуль степени окисления равна единице, то число «1» можно не ставить и писать только знак: Na + Cl - .

Степень окисления и валентность - родственные понятия. Во многих соединениях абсолютная величина степени окисления элементов совпадает с их валентностью. Однако существует немало случаев, когда валентность отличается от степени окисления.

В простых веществах - неметалах существует ковалентная неполярная связь, совместная электронная пара смещается к одному из атомов, поэтому степень окисления элементов в простых веществ всегда равна нулю. Но атомы друг с другом связаны, то есть проявляют определенную валентность, как, например, в кислороде валентность Кислорода равна II, а в азоте валентность Азота - III:

В молекуле водород пероксида валентность Кислорода также равна II, а Водорода - И:

Определение возможных степеней окисления элементов

Степени окисление, какие элементы могут проявлять в различных соединениях, в большинстве случаев можно определить по строению внешнего электронного уровня или по местом элемента в Периодической системе.

Атомы металлических элементов могут только отдавать электроны, поэтому в соединениях они проявляют положительные степени окисления. Его абсолютное значение во многих случаях (за исключением d -элементов) равен числу электронов на внешнем уровне, то есть номера группы в Периодической системе. Атомы d -элементов могут также отдавать электроны с передзовнішнього уровня, а именно - с незаполненных d -орбиталей. Поэтому для d -элементов определить все возможные степени окисления значительно сложнее, чем для s - и р-элементов. С уверенностью можно утверждать, что большинство d -элементов проявляют степень окисления +2 благодаря электронам внешнего электронного уровня, а максимальная степень окисления в большинстве случаев равен номеру группы.

Атомы неметаллических элементов могут проявлять как положительные, так и отрицательные степени окисление, в зависимости от того, с атомом какого элемента они образуют связь. Если элемент более электроотрицательным, то он проявляет негативное степень окисления, а если менее электроотрицательный - положительный.

Абсолютное значение степени окисления неметаллических элементов можно определить по строению внешнего электронного слоя. Атом способен принять столько электронов, чтобы на его внешнем уровне расположилось восемь электронов: неметаллические элементы VII группы принимают один электрон и проявляют степень окисления -1, VIгруппы - два электроны и проявляют степень окисления -2 и т.д.

Неметаллические элементы способны отдавать разное число электронов: максимум столько, сколько расположено на внешнем энергетическом уровне. Иначе говоря, максимальный степень окисления неметаллических элементов равна номеру группы. Благодаря промотуванню электронов на внешнем уровне атомов число неспаренных электронов, которые атом может отдавать в химических реакциях, бывает разным, поэтому неметаллические элементы способны обнаруживать различные промежуточные значения степени окисления.

Возможны степени окисления s - и р-элементов

Группа ПС
Высшую степень окисления
Промежуточный степень окисления
Ниже степень окисления

Определение степеней окисления в соединениях

Любая электронейтральная молекула, поэтому сумма степеней окисления атомов всех элементов должна равняться нулю. Определим степень окисления в сульфур(И V ) оксиде SO 2 тауфосфор(V ) сульфіді P 2 S 5 .

Сульфур(И V ) оксид SO 2 образован атомами двух элементов. Из них электроотрицательности большая у Кислорода, поэтому атомы Кислорода будут иметь негативный степень окисления. Для Кислорода он равен-2. В этом случае Сульфур оказывает положительное степень окисления. В различных соединениях Сульфур может проявлять разные степени окисления, поэтому в этом случае его необходимо вычислить. В молекуле SO 2 два атома Кислорода со степенью окисления -2, поэтому общий заряд атомов Кислорода равна-4. Для того, чтобы молекула была електронейтральною, атом Серы имеет полностью нейтрализовать заряд обоих атомов Кислорода, поэтому степень окисления Серы равна +4:

В молекуле фосфор(V ) сульфида P 2 S 5 более електронегативним элементом является Сульфур, то есть он проявляет негативное степень окисления, а Фосфор - положительный. Для Серы негативный степень окисления составляет только 2. Вместе пять атомов Серы несут отрицательный заряд, равный-10. Поэтому два атома Фосфора имеют нейтрализовать этот заряд с общим зарядом +10. Поскольку атомов Фосфора в молекуле два, то каждый должен иметь степень окисления +5:

Сложнее вычислять степень окисления не в бинарных соединениях - солях, основаниях и кислотах. Но для этого также следует воспользоваться принципом электронейтральности, а еще помнить о том, что в большинстве соединений степень окисления Кислорода составляет -2, Водорода +1.

Рассмотрим это на примере калий сульфата K 2 SO 4 . Степень окисления Калия в соединениях может быть только +1, а Кислорода -2:

С принципа электронейтральности вычисляем степень окисления Серы:

2(+1) + 1 (х) + 4 (-2) = 0, откуда х = +6.

При определении степеней окисления элементов в соединениях следует придерживаться таких правил:

1. Степень окисления элемента в простом веществе равна нулю.

2. Фтора - наиболее электроотрицательный химический элемент, поэтому степень окисления Фтора в всех соединениях равна-1.

3. Оксиген - наиболее электроотрицательный элемент после Фтора, поэтому степень окисления Кислорода во всех соединениях, кроме фторидов, отрицательный: в большинстве случаев он равна -2, а в пероксидах - -1.

4. Степень окисления Водорода в большинстве соединений равна +1, а в соединениях с металлическими элементами (гидридах) - -1.

5. Степень окисления металлов в соединениях всегда положительный.

6. Более электроотрицательный элемент всегда имеет отрицательный степень окисления.

7. Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю.

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления. Под степенью окисления понимается условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Степень окисления обозначается арабской цифрой, которую ставят перед символом элемента, со знаком «+» или «−», соответствующим отдаче или приобретению электронов. Степень окисления представляет собой всего лишь удобную форму для учета переноса электронов, ее не следует рассматривать ни как эффективный заряд атома в молекуле (например, в молекуле LiF эффективные заряды Li и F равны соответственно +0,89 и −0,89, тогда как степени окисления +1 и −1), ни как валентность элемента (например в соединениях CH 4 , CH 3 OH, HCOOH, CO 2 валентность углерода равна 4, а степени окисления соответственно равны −4, −2, +2, +4).

Численные значения валентности и степени окисления могут совпадать по абсолютной величине лишь при образовании соединений с ионной связью. При определении степени окисления используют следующие правила:

1. Атомы элементов, находящихся в свободном состоянии или в виде молекул простых веществ, имеют степень окисления, равную нулю, например Fe, Cu, H 2 , N 2 и т.п.

2. Степень окисления элемента в виде одноатомного иона в соединении, имеющем ионное строение, равна заряду данного иона, например,

3. Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1, за исключением гидридов металлов (NaH, LiH), в которых степень окисления водорода равна −1.

Наиболее распространенная степень окисления кислорода в соединениях –2, за исключением пероксидов (Na 2 O 2 , Н 2 О 2 – степень окисления кислорода равна −1) и F 2 O (степень окисления кислорода равна +2).

Для элементов с непостоянной степенью окисления ее значение можно рассчитать, зная формулу соединения и учитывая, что сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. В сложном ионе эта сумма равна заряду иона. Например, степень окисления атома хлора в молекуле HClO 4 , вычисленная исходя из суммарного заряда молекулы = 0, х – степень окисления атома хлора), равна +7. Степень окисления атома серы в ионе SO равна +6.

Окислительно-восстановительные свойства элемента зависят от степени его окисления. У атомов одного и того же элемента различают низшую , высшую и промежуточные степени окисления .

Зная степень окисления элемента в соединении, можно предсказать, окислительные или восстановительные свойства это соединение проявляет.

В качестве примера рассмотрим серу S и ее соединения H 2 S, SO 2 и SO 3 . Связь между электронной структурой атома серы и его окислительно-восстановительными свойствами в этих соединениях наглядно представлена в таблице 7.1.

Как определить степень окисления? Таблица Менделеева позволяет записывать данную количественную величину для любого химического элемента.

Определение

Для начала попробуем понять, что представляет собой данный термин. Степень окисления по таблице Менделеева представляет собой количество электронов, которые приняты либо отданы элементом в процессе химического взаимодействия. Она может принимать отрицательное и положительное значение.

Связь с таблицей

Как определяется степень окисления? Таблица Менделеева состоит из восьми групп, расположенных вертикально. В каждой из них есть две подгруппы: главная и побочная. Для того чтобы установить показатели для элементов, необходимо использовать определенные правила.

Инструкция

Как рассчитать степени окисления элементов? Таблица позволяет в полной мере справиться с подобной проблемой. Щелочные металлы, которые располагаются в первой группе (главной подгруппе), степень окисления проявляют в соединениях, она соответствует +, равна их высшей валентности. У металлов второй группы (подгруппы А) +2 степень окисления.

Таблица позволяет определить данную величину не только у элементов, проявляющих металлические свойства, но и у неметаллов. Их максимальная величина будет соответствовать высшей валентности. Например, для серы она составит +6, для азота +5. Как вычисляется у них минимальная (низшая) цифра? Таблица отвечает и на этот вопрос. Необходимо вычесть номер группы из восьми. Например, у кислорода она составит -2, у азота -3.

Для простых веществ, которые не вступали в химическое взаимодействие с другими веществами, определяемый показатель считается равным нулю.

Попробуем выявить основные действия, касающиеся расстановки в бинарных соединениях. Как поставить в них степень окисления? Таблица Менделеева помогает решить проблему.

Для примера возьмем оксид кальция СаО. Для кальция, расположенного в главной подгруппе второй группы, величина будет являться постоянной, равной +2. У кислорода, имеющего неметаллические свойства, данный показатель будет являться отрицательной величиной, и он соответствует -2. Для того чтобы проверить правильность определения, суммируем полученные цифры. В итоге мы получим ноль, следовательно, вычисления верны.

Определим подобные показатели еще в одном бинарном соединении CuO. Так как медь располагается в побочной подгруппе (первой группе), следовательно, изучаемый показатель может проявлять разные значения. Поэтому для его определения необходимо сначала выявить показатель для кислорода.

У неметалла, располагающегося в конце бинарной формулы, степень окисления имеет отрицательное значение. Так как этот элемент располагается в шестой группе, при вычитании из восьми шести получаем, что степень окисления у кислорода соответствует -2. Так как в соединении отсутствуют индексы, следовательно, показатель степени окисления у меди будет положительным, равным +2.

Как еще используется химическая таблица? Степени окисления элементов в формулах, состоящих из трех элементов, также вычисляются по определенному алгоритму. Сначала расставляют эти показатели у первого и последнего элемента. Для первого этот показатель будет иметь положительное значение, соответствовать валентности. У крайнего элемента, в качестве которого выступает неметалл, данный показатель имеет отрицательное значение, он определяется в виде разности (от восьми отнимают номер группы). При вычислении степени окисления у центрального элемента используют математическое уравнение. При расчетах учитывают индексы, имеющиеся у каждого элемента. Сумма всех степеней окисления должна быть равна нулю.

Пример определения в серной кислоте

Формула данного соединения имеет вид H 2 SO 4 . У водорода степень окисления составит +1, у кислорода она равна -2. Для определения степени окисления у серы, составим математическое уравнение: + 1 * 2 + Х + 4 * (-2) = 0. Получаем, что степень окисления у серы соответствует +6.

Заключение

При использовании правил можно расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях. Данный вопрос рассматривается в курсе химии девятого класса школьной программы. Кроме того, информация о степенях окисления позволяет выполнять задания ОГЭ и ЕГЭ.

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:

Нулевая степень. Выше было упомянуто - её имеют исключительно простые вещества: S, O2, Al, K и так далее.
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.
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.
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).
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:

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.
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 "сайт"

Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, он получает атом в результате полного принятия электронов, его вычисляют из предположения, что все связи представляют собой ионный характер. Как определить степень окисления?

Определение степени окисления

Существуют заряженные частицы ионы, положительный заряд которых равняется количеству электронов, получаемых от одного атома. Отрицательный заряд иона равняется числу электронов, принимаемых одним атомом химического элемента. К примеру, запись такого элемента как Ca2+ значит, что атомы элементов потеряли одного, двух или же трех элементов. Чтобы найти состав ионных соединений и соединений молекул нам необходимо знать, как определить степень окисления элементов. Степени окислений бывают отрицательными, положительными и нулевыми. Если учитывать числа атомов, то алгебраическая степень окисления в молекуле равна нулю.

Чтобы определить степень окисления элемента нужно руководствоваться определёнными знаниями. Например, в соединениях металлов степень окисления положительная. А высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где и находится элемент. У металлов степени окисления могут быть положительными и отрицательными. Это будет зависеть от того фактора, каким именно атомом соединен металл. Например, если соединен с атомом металла, то тогда степень будет отрицательной, если же соединен с неметаллом, то степень будет положительная.

Отрицательную же высшую степень окисления металла определить можно вычитанием из цифры восемь номер группы, где находится необходимый элемент. Как правило, она бывает равна числу электронов, находящихся на внешнем слое. Число этих электронов тоже соответствует номеру группы.

Как рассчитать степень окисления

В большинстве случаев степень окисления атома конкретного элемента не совпадает с числом связей, которые он образует, то есть она не равна валентности этого элемента. Наглядно это можно увидеть на примере органических соединений.

Напомню, валентность углерода в органических соединениях равняется 4 (т.е образует 4 связи), но степень окисления углерода, например, в метаноле CH 3 OH равна -2, в CO 2 +4, в CH4 -4, в муравьиной кислоте HCOOH +2. Валентность измеряется числом ковалентных химических связей, включая те, которые возникли по донорно-акцепторному механизму.

При определении степени окисления атомов в молекулах, электроотрицательный атом, при смещении в свою сторону одной электронной пары, приобретает заряд -1, если же две электронные пары то -2 будет заряд. На степень окисления не влияет связь между одинаковыми атомами. Например:

Связь атомов C-C равняется их нулевой степени окисления.
Связь C-H – здесь, углероду как наиболее электроотрицательному атому будет соответствовать заряд -1.
Связь C-O заряд углерода, как менее электроотрицательный, будет равняться +1.

Примеры определения степени окисления

В такой молекуле как CH 3Cl три связи C-HC). Таким образом, степень окисления атома углерода в данном соединении будет равна:-3+1=-2.
Найдем степень окисления атомов углерода в молекуле уксусного альдегида Cˉ³H3-C¹O-H. В данном соединении три связи C-H будут давать общий заряд на атоме C, который равен (Cº+3e→Cˉ³)-3. Двойная же связь C=O (здесь кислород будет забирать электроны у атома углерода, т.к кислород более электроотрицательный) дает заряд на атоме C, он равен +2 (Cº-2e→C²), связь же C-H заряд -1, значит общий заряд на атоме C равняется: (2-1=1)+1.
Теперь найдем степень окисления в молекуле этанола: Cˉ³H-Cˉ¹H2-OH. Здесь три связи C-H дадут общий заряд на атоме C, он равен (Cº+3e→Cˉ³)-3. Две связи C-H дадут заряд на атоме C, который будет равен -2, связь же C→O даст заряд +1, значит общий заряд на атоме C: (-2+1=-1)-1.

Теперь Вы знаете, как определить степень окисления элемента. Если Вы имеете хотя бы базовые знания по химии, то для Вас данная задача будет не проблемой.

Химия подготовка к ЗНО и ДПА Комплексное издание