Stany utlenienia metali i niemetali. Wartościowość pierwiastków chemicznych. Stopień utlenienia pierwiastków chemicznych

Aby scharakteryzować stan pierwiastków w związkach, wprowadzono pojęcie stopnia utlenienia. Stan utlenienia rozumiany jest jako warunkowy ładunek atomu w związku, obliczony przy założeniu, że związek składa się z jonów. Stopień utlenienia jest oznaczony cyfrą arabską, która jest umieszczona przed symbolem pierwiastka, ze znakiem „+” lub „-”, odpowiadającym oddaniu lub akwizycji elektronów. Stan utlenienia jest po prostu wygodną formą uwzględniania przenoszenia elektronów, nie należy go uważać za efektywny ładunek atomu w cząsteczce (na przykład w cząsteczce LiF efektywne ładunki Li i F wynoszą + odpowiednio 0,89 i -0,89, natomiast stopnie utlenienia +1 i -1) lub jako wartościowość pierwiastka (np. w związkach CH 4, CH 3 OH, HCOOH, CO 2 wartościowość węgla wynosi 4 , a stany utlenienia wynoszą odpowiednio -4, -2, +2, +4).

Wartości liczbowe wartościowości i stopnia utlenienia mogą pokrywać się w wartości bezwzględnej tylko wtedy, gdy powstają związki z wiązaniem jonowym. Przy określaniu stopnia utlenienia stosuje się następujące zasady:

1. Atomy pierwiastków, które są w stanie wolnym lub w postaci cząsteczek prostych substancji, mają stopień utlenienia równy zero, na przykład Fe, Cu, H 2, N 2 itp.

2. Stopień utlenienia pierwiastka w postaci jonu jednoatomowego w związku o strukturze jonowej jest równy ładunkowi tego jonu, np.

3. Wodór w większości związków ma stopień utlenienia +1, z wyjątkiem wodorków metali (NaH, LiH), w których stopień utlenienia wodoru wynosi -1.

Najczęstszym stopniem utlenienia tlenu w związkach jest –2, z wyjątkiem nadtlenków (Na 2 O 2, H 2 O 2 - stopień utlenienia tlenu wynosi -1) i F 2 O (stopień utlenienia tlenu wynosi + 2).

Dla pierwiastków o zmiennym stopniu utlenienia jego wartość można obliczyć znając wzór związku i biorąc pod uwagę, że suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce wynosi zero. W złożonym jonie suma ta jest równa ładunkowi jonu. Na przykład stopień utlenienia atomu chloru w cząsteczce HClO 4, obliczony z całkowitego ładunku cząsteczki = 0, x to stopień utlenienia atomu chloru), wynosi +7. Stopień utlenienia atomu siarki w jonie SO wynosi +6.

Właściwości redoks pierwiastka zależą od stopnia jego utlenienia. Atomy tego samego pierwiastka mają niżej , wyższy oraz pośrednie stany utlenienia.

Znając stan utlenienia pierwiastka w związku, można przewidzieć, czy związek ten wykazuje właściwości utleniające czy redukujące.

Jako przykład rozważ siarkę S i jej związki H 2 S, SO 2 i SO 3. Zależność między strukturą elektronową atomu siarki a jego właściwościami redoks w tych związkach jest wyraźnie pokazana w tabeli 7.1.

Jak określić stopień utlenienia? Układ okresowy pozwala na zarejestrowanie danej wartości ilościowej dla dowolnego pierwiastka chemicznego.

Definicja

Najpierw spróbujmy zrozumieć, czym jest ten termin. Stan utlenienia według układu okresowego to liczba elektronów, które są przyjmowane lub oddawane przez pierwiastek w procesie oddziaływania chemicznego. Może przyjmować zarówno wartości ujemne, jak i dodatnie.

Link do tabeli

Jak określa się stopień utlenienia? Układ okresowy składa się z ośmiu grup ułożonych pionowo. Każda z nich ma dwie podgrupy: główną i drugorzędną. Aby ustawić wskaźniki dla elementów, należy zastosować pewne zasady.

Instrukcja

Jak obliczyć stany utlenienia pierwiastków? Stół pozwala w pełni poradzić sobie z podobnym problemem. Metale alkaliczne, które znajdują się w pierwszej grupie (podgrupa główna), wykazują stopień utlenienia związków, który odpowiada +, jest równy ich najwyższej wartościowości. Metale z drugiej grupy (podgrupa A) mają stopień utlenienia +2.

Tabela pozwala określić tę wartość nie tylko dla pierwiastków wykazujących właściwości metaliczne, ale również dla niemetali. Ich maksymalna wartość będzie odpowiadać najwyższej wartościowości. Na przykład dla siarki będzie to +6, dla azotu +5. Jak obliczana jest ich minimalna (najniższa) liczba? Tabela również odpowiada na to pytanie. Odejmij numer grupy od ośmiu. Na przykład dla tlenu będzie to -2, dla azotu -3.

Dla prostych substancji, które nie weszły w interakcje chemiczne z innymi substancjami, wyznaczony wskaźnik uważa się za zero.

Spróbujmy zidentyfikować główne działania związane z układem w związkach binarnych. Jak umieścić w nich stopień utlenienia? Układ okresowy pomaga rozwiązać problem.

Na przykład weź tlenek wapnia CaO. Dla wapnia znajdującego się w głównej podgrupie drugiej grupy wartość będzie stała, równa +2. W przypadku tlenu, który ma właściwości niemetaliczne, wskaźnik ten będzie wartością ujemną i odpowiada -2. Aby sprawdzić poprawność definicji, podsumowujemy uzyskane liczby. W rezultacie otrzymujemy zero, dlatego obliczenia są poprawne.

Wyznaczmy podobne wskaźniki w jeszcze jednym binarnym związku CuO. Ponieważ miedź znajduje się w podgrupie drugorzędowej (grupa pierwsza), dlatego badany wskaźnik może wykazywać różne wartości. Dlatego, aby to ustalić, musisz najpierw zidentyfikować wskaźnik tlenu.

W przypadku niemetalu znajdującego się na końcu formuły binarnej stopień utlenienia ma wartość ujemną. Ponieważ ten pierwiastek znajduje się w szóstej grupie, odejmując sześć od ośmiu, otrzymujemy, że stopień utlenienia tlenu odpowiada -2. Ponieważ w związku nie ma żadnych indeksów, stan utlenienia miedzi będzie dodatni, równy +2.

Jak jeszcze jest używana tabela chemii? Stopnie utlenienia pierwiastków we wzorach składających się z trzech pierwiastków są również obliczane według określonego algorytmu. Po pierwsze, wskaźniki te są umieszczone na pierwszym i ostatnim elemencie. Po pierwsze, wskaźnik ten będzie miał wartość dodatnią, odpowiadającą wartościowości. Dla skrajnego elementu, który jest niemetalem, wskaźnik ten ma wartość ujemną, jest określany jako różnica (liczba grupy jest odejmowana od ośmiu). Przy obliczaniu stopnia utlenienia centralnego elementu stosuje się równanie matematyczne. Obliczenia uwzględniają indeksy dostępne dla każdego elementu. Suma wszystkich stanów utlenienia musi wynosić zero.

Przykład oznaczenia w kwasie siarkowym

Wzór tego związku to H2SO4. Wodór ma stopień utlenienia +1, tlen ma -2. Aby określić stopień utlenienia siarki, tworzymy równanie matematyczne: + 1 * 2 + X + 4 * (-2) = 0. Otrzymujemy, że stopień utlenienia siarki odpowiada +6.

Wniosek

Korzystając z reguł, możesz ustawić współczynniki w reakcjach redoks. Zagadnienie to jest rozważane w toku chemii dziewiątej klasy programu szkolnego. Ponadto informacja o stopniach utlenienia pozwala na wykonanie zadań OGE i Unified State Examination.

W chemii opis różnych procesów redoks nie jest kompletny bez stany utlenienia - specjalne wartości warunkowe, za pomocą których można określić ładunek atomu dowolnego pierwiastka chemicznego.

Jeśli stan utlenienia przedstawimy (nie myl go z wartościowością, ponieważ w wielu przypadkach nie pasują) jako zapis w zeszycie, to zobaczymy tylko liczby ze znakami zerowymi (0 - w prostej substancji), plus ( +) lub minus (-) powyżej interesującej nas treści. Tak czy inaczej, odgrywają one ogromną rolę w chemii, a umiejętność określenia CO (stanu utlenienia) jest niezbędną podstawą w badaniu tego tematu, bez której dalsze działania nie mają sensu.

Używamy CO do opisania właściwości chemicznych substancji (lub pojedynczego pierwiastka), poprawnej pisowni jej nazwy międzynarodowej (zrozumiałej dla każdego kraju i narodu, niezależnie od używanego języka) i wzoru, a także do klasyfikacji według cech.

Stopień może być trzech typów: najwyższy (aby go określić, musisz wiedzieć, w której grupie znajduje się element), średni i najniższy (konieczne jest odjęcie numeru grupy, w której znajduje się element, od liczby 8; oczywiście liczba 8 jest brana, ponieważ suma w układzie okresowym D. Mendelejewa 8 grup). Szczegóły dotyczące określenia stopnia utlenienia i jego prawidłowego umieszczenia zostaną omówione poniżej.

Jak określany jest stopień utlenienia: stały CO

Po pierwsze, CO może być zmienny lub stały.

Ustalenie stałego stanu utlenienia nie jest trudne, więc lepiej zacząć od niego lekcję: do tego potrzebujesz tylko umiejętności korzystania z PS (system okresowy). Tak więc istnieje kilka pewnych zasad:

1. Zero stopni. Wspomniano powyżej, że mają go tylko proste substancje: S, O2, Al, K i tak dalej.
2. Jeśli cząsteczki są obojętne (innymi słowy, nie mają ładunku elektrycznego), to suma ich stanów utlenienia wynosi zero. Jednak w przypadku jonów suma musi być równa ładunkowi samego jonu.
3. W I, II, III grupach układu okresowego znajdują się głównie metale. Elementy tych grup mają ładunek dodatni, którego liczba odpowiada numerowi grupy (+1, +2 lub +3). Być może dużym wyjątkiem jest żelazo (Fe) – jego CO może wynosić zarówno +2, jak i +3.
4. Wodór CO(H) najczęściej wynosi +1 (przy interakcji z niemetalami: HCl, H2S), ale w niektórych przypadkach ustawiamy -1 (gdy wodorki tworzą się w związkach z metalami: KH, MgH2).
5. Tlen CO (O) +2. Związki z tym pierwiastkiem tworzą tlenki (MgO, Na2O, H20 - woda). Zdarzają się jednak również przypadki, w których tlen ma stopień utlenienia -1 (w tworzeniu nadtlenków) lub nawet działa jako środek redukujący (w połączeniu z fluorem F, ponieważ utleniające właściwości tlenu są słabsze).

W oparciu o te informacje, stany utlenienia są umieszczane w różnych złożonych substancjach, opisane są reakcje redoks i tak dalej, ale o tym później.

Zmienna CO

Niektóre pierwiastki chemiczne różnią się tym, że mają więcej niż jeden stopień utlenienia i zmieniają go w zależności od formuły, w której się znajdują. Zgodnie z regułami suma wszystkich potęg również musi być równa zeru, ale aby ją znaleźć, trzeba wykonać pewne obliczenia. W wersji pisanej wygląda to jak zwykłe równanie algebraiczne, ale z czasem „wypełniamy rękę” i nie jest trudno ułożyć i szybko wykonać cały algorytm działań mentalnie.

Nie będzie tak łatwo zrozumieć słowa i lepiej od razu przejść do praktyki:

HNO3 - w tym wzorze określamy stopień utlenienia azotu (N). W chemii czytamy nazwy pierwiastków, a układ stopni utlenienia podchodzimy również od końca. Wiadomo więc, że CO2 tlenu wynosi -2. Musimy pomnożyć stopień utlenienia przez współczynnik po prawej stronie (jeśli istnieje): -2*3=-6. Następnie przechodzimy do wodoru (H): jego CO w równaniu wyniesie +1. Oznacza to, że aby całkowity CO dał zero, musisz dodać 6. Sprawdź: +1+6-7=-0.

Dodatkowe ćwiczenia można znaleźć na końcu, ale przede wszystkim musimy ustalić, które pierwiastki mają zmienny stopień utlenienia. W zasadzie wszystkie elementy, z wyjątkiem pierwszych trzech grup, zmieniają swój stopień. Najbardziej uderzającymi przykładami są halogeny (pierwiastki grupy VII, nie licząc fluoru F), grupa IV oraz gazy szlachetne. Poniżej zobaczysz listę niektórych metali i niemetali o różnym stopniu:

• H(+1, -1);
• Bądź(-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).

To tylko niewielka liczba pozycji. Nauka określania SD wymaga nauki i praktyki, ale nie oznacza to, że musisz zapamiętać wszystkie stałe i zmienne SD: pamiętaj tylko, że te ostatnie są znacznie bardziej powszechne. Często współczynnik i reprezentowana substancja odgrywają znaczącą rolę - na przykład siarka (S) ma ujemny stopień w siarczkach, tlen (O) w tlenkach, a chlor (Cl) w chlorkach. Dlatego w tych solach inny pierwiastek ma pozytywny stopień (i w tej sytuacji nazywany jest reduktorem).

Rozwiązywanie problemów określania stopnia utlenienia

Teraz dochodzimy do najważniejszej rzeczy - praktyki. Wypróbuj samodzielnie poniższe zadania, a następnie obejrzyj rozkład rozwiązania i sprawdź odpowiedzi:

1. K2Cr2O7 - znajdź stopień chromu.
   CO dla tlenu wynosi -2, dla potasu +1, a dla chromu oznaczamy na razie jako nieznaną zmienną x. Całkowita wartość wynosi 0. Dlatego zrobimy równanie: +1*2+2*x-2*7=0. Po podjęciu decyzji otrzymujemy odpowiedź 6. Sprawdźmy - wszystko się zbiegło, czyli zadanie rozwiązane.
2. H2SO4 - znajdź stopień siarki.
   Używając tego samego pojęcia, tworzymy równanie: +2*1+x-2*4=0. Dalej: 2+x-8=0.x=8-2; x=6.

Krótki wniosek

Aby nauczyć się samodzielnie wyznaczać stopień utlenienia, trzeba nie tylko umieć pisać równania, ale także dokładnie przestudiować właściwości elementów różnych grup, zapamiętać lekcje algebry, układać i rozwiązywać równania z nieznaną zmienną.
Nie zapominaj, że reguły mają swoje wyjątki i nie należy o nich zapominać: mówimy o elementach ze zmienną CO. Ponadto, aby rozwiązać wiele problemów i równań, trzeba umieć ustawić współczynniki (i wiedzieć, w jakim celu to się robi).

Redakcja „strona internetowa”

Stan utlenienia jest warunkowym ładunkiem atomu w cząsteczce, otrzymuje atom w wyniku całkowitej akceptacji elektronów, oblicza się go z założenia, że ​​wszystkie wiązania mają charakter jonowy. Jak określić stopień utlenienia?

Oznaczanie stopnia utlenienia

Istnieją naładowane cząstki, jony, których ładunek dodatni jest równy liczbie elektronów otrzymanych z jednego atomu. Ujemny ładunek jonu jest równy liczbie elektronów przyjmowanych przez jeden atom pierwiastka chemicznego. Na przykład wpis takiego pierwiastka jak Ca2 + oznacza, że ​​atomy pierwiastków straciły jeden, dwa lub trzy pierwiastki. Aby znaleźć skład związków jonowych i związków cząsteczek, musimy wiedzieć, jak określić stopień utlenienia pierwiastków. Stany utlenienia są ujemne, dodatnie i zerowe. Jeśli weźmiemy pod uwagę liczbę atomów, to algebraiczny stopień utlenienia w cząsteczce wynosi zero.

Aby określić stopień utlenienia pierwiastka, musisz kierować się pewną wiedzą. Na przykład w związkach metali stan utlenienia jest dodatni. A najwyższy stopień utlenienia odpowiada numerowi grupy układu okresowego, w którym znajduje się pierwiastek. W metalach stany utlenienia mogą być dodatnie lub ujemne. Będzie to zależeć od czynnika, przez który atom jest połączony. Na przykład, jeśli jest połączony z atomem metalu, stopień będzie ujemny, ale jeśli jest połączony z niemetalem, stopień będzie dodatni.

Ujemny najwyższy stopień utlenienia metalu można określić, odejmując numer grupy, w której znajduje się niezbędny pierwiastek, od liczby osiem. Z reguły jest równa liczbie elektronów znajdujących się na zewnętrznej warstwie. Liczba tych elektronów odpowiada również liczbie grupy.

Jak obliczyć stan utlenienia?

W większości przypadków stopień utlenienia atomu danego pierwiastka nie odpowiada liczbie wiązań, które tworzy, to znaczy nie jest równy wartościowości tego pierwiastka. Widać to wyraźnie na przykładzie związków organicznych.

Przypomnę, że wartościowość węgla w związkach organicznych wynosi 4 (czyli tworzy 4 wiązania), ale stopień utlenienia węgla np. w metanolu CH 3 OH wynosi -2, w CO 2 +4, w CH4 -4, w kwasie mrówkowym HCOOH + 2. Wartościowość mierzy się liczbą kowalencyjnych wiązań chemicznych, w tym tych utworzonych przez mechanizm dawca-akceptor.

Przy określaniu stanu utlenienia atomów w cząsteczkach atom elektroujemny, gdy jedna para elektronów jest przesunięta w jego kierunku, uzyskuje ładunek -1, ale jeśli są dwie pary elektronów, to -2 będzie ładunkiem. Na stopień utlenienia nie ma wpływu wiązanie między tymi samymi atomami. Na przykład:

• Wiązanie atomów C-C jest równe ich zerowemu stopniowi utlenienia.
• Wiązanie C-H - tutaj węgiel jako najbardziej elektroujemny atom będzie odpowiadał ładunkowi -1.
• Wiązanie C-O, ładunek węgla, będąc mniej elektroujemnym, wyniesie +1.

Przykłady określania stopnia utlenienia

1. W cząsteczce takiej jak CH 3 Cl są trzy wiązania C-HC). Zatem stopień utlenienia atomu węgla w tym związku będzie równy: -3 + 1 = -2.
2. Znajdźmy stopień utlenienia atomów węgla w cząsteczce aldehydu octowego Cˉ³H3-C¹O-H. W tym związku trzy wiązania C-H dadzą całkowity ładunek na atomie C, który wynosi (Cº+3e→Cˉ³)-3. Wiązanie podwójne C = O (tutaj tlen zabierze elektrony z atomu węgla, ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny) daje ładunek na atomie C, jest to +2 (Cº-2e → C²), podczas gdy wiązanie C-H ma ładunek -1, co oznacza, że ​​całkowity ładunek atomu C wynosi: (2-1=1)+1.
3. Teraz znajdźmy stopień utlenienia w cząsteczce etanolu: Cˉ3H-Cˉ¹H2-OH. Tutaj trzy wiązania C-H dadzą całkowity ładunek na atomie C, który wynosi (Cº+3e→Cˉ³)-3. Dwa wiązania C-H dadzą ładunek na atomie C, który będzie równy -2, podczas gdy wiązanie C→O da ładunek +1, co oznacza całkowity ładunek na atomie C: (-2+1= -1)-1.

Teraz wiesz, jak określić stopień utlenienia pierwiastka. Jeśli posiadasz chociaż podstawową wiedzę z chemii, to zadanie to nie będzie dla Ciebie problemem.