Формальный заряд атома в соединениях — вспомогательная величина, обычно ее используют в описаниях свойств элементов в химии. Этот условный электрический заряд и есть степень окисления. Его значение изменяется в результате многих химических процессов. Хотя заряд является формальным, он ярко характеризует свойства и поведение атомов в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР).

Окисление и восстановление

В прошлом химики использовали термин «окисление», чтобы описать взаимодействие кислорода с другими элементами. Название реакций произошло от латинского наименования кислорода - Oxygenium. Позже выяснилось, что другие элементы тоже окисляют. В этом случае они восстанавливаются — присоединяют электроны. Каждый атом при образовании молекулы изменяет строение своей валентной электронной оболочки. В этом случае появляется формальный заряд, величина которого зависит от количества условно отданных или принятых электронов. Для характеристики этой величины ранее применяли английский химический термин "oxidation number", который в переводе означает «окислительное число». При его использовании исходят из допущения, что связывающие электроны в молекулах или ионах принадлежат атому, обладающему более высоким значением электроотрицательности (ЭО). Способность удерживать свои электроны и притягивать их от других атомов хорошо выражена у сильных неметаллов (галогенов, кислорода). Противоположными свойствами обладают сильные металлы (натрий, калий, литий, кальций, другие щелочные и щелочноземельные элементы).

Определение степени окисления

Степенью окисления называют заряд, который атом приобрел бы в том случае, если бы принимающие участие в образовании связи электроны полностью сместились к более электроотрицательному элементу. Есть вещества, не имеющие молекулярного строения (галогениды щелочных металлов и другие соединения). В этих случаях степень окисления совпадает с зарядом иона. Условный или реальный заряд показывает, какой процесс произошел до того, как атомы приобрели свое нынешнее состояние. Положительное значение степени окисления — это общее количество электронов, которые были удалены из атомов. Отрицательное значение степени окисления равно числу приобретенных электронов. По изменению состояния окисления химического элемента судят о том, что происходит с его атомами в ходе реакции (и наоборот). По цвету вещества определяют, какие произошли перемены в состоянии окисления. Соединения хрома, железа и ряда других элементов, в которых они проявляют разную валентность, окрашены неодинаково.

Отрицательное, нулевое и положительное значения степени окисления

Простые вещества образованы химическими элементами с одинаковым значением ЭО. В этом случае связывающие электроны принадлежат всем структурным частицам в равной степени. Следовательно, в простых веществах элементам несвойственно состояние окисления (Н 0 2 , О 0 2 , С 0). Когда атомы принимают электроны или общее облако смещается в их сторону, заряды принято писать со знаком "минус". Например, F -1 ,О -2 , С -4 . Отдавая электроны, атомы приобретают реальный или формальный положительный заряд. В оксиде OF 2 атом кислорода отдает по одному электрону двум атомам фтора и находится в состоянии окисления О +2 . Считают, что в молекуле или многоатомном ионе более электроотрицательные атомы получают все связывающие электроны.

Сера — элемент, проявляющий разные валентность и степени окисления

Химические элементы главных подгрупп зачастую проявляют низшую валентность равную VIII. Например, валентность серы в сероводороде и сульфидах металлов — II. Для элемента характерны промежуточные и высшая валентность в возбужденном состоянии, когда атом отдает один, два, четыре или все шесть электронов и проявляет соответственно валентности I, II, IV, VI. Такие же значения, только со знаком "минус" или "плюс", имеют степени окисления серы:

• в сульфиде фтора отдает один электрон: -1;
• в сероводороде низшее значение: -2;
• в диоксиде промежуточное состояние: +4;
• в триоксиде, серной кислоте и сульфатах: +6.

В своем высшем состоянии окисления сера только принимает электроны, в низшей степени — проявляет сильные восстановительные свойства. Атомы S +4 могут проявлять в соединениях функции восстановителей или окислителей в зависимости от условий.

Переход электронов в химических реакциях

При образовании кристалла поваренной соли натрий отдает электроны более электроотрицательному хлору. Степени окисления элементов совпадают с зарядами ионов: Na +1 Cl -1 . Для молекул, созданных путем обобществления и смещения электронных пар к более электроотрицательному атому, применимы только представления о формальном заряде. Но можно предположить, что все соединения состоят из ионов. Тогда атомы, притягивая электроны, приобретают условный отрицательный заряд, а отдавая, — положительный. В реакциях указывают, какое число электронов смещается. Например, в молекуле диоксида углерода С +4 О - 2 2 указанный в верхнем правом углу индекс при химическом символе углерода отображает количество электронов, удаленных из атома. Для кислорода в этом веществе характерно состояние окисления -2. Соответствующий индекс при химическом знаке О — количество добавленных электронов в атоме.

Как подсчитать степени окисления

Подсчет количества отданных и присоединенных атомами электронов может отнять много времени. Облегчают эту задачу следующие правила:

1. В простых веществах степени окисления равны нулю.
2. Сумма окисления всех атомов или ионов в нейтральном веществе равна нулю.
3. В сложном ионе сумма степеней окисления всех элементов должна соответствовать заряду всей частицы.
4. Более электроотрицательный атом приобретает отрицательное состояние окисления, которое записывают со знаком "минус".
5. Менее электроотрицательные элементы получают положительные степени окисления, их записывают со знаком "плюс".
6. Кислород в основном проявляет степень окисления, равную -2.
7. Для водорода характерное значение: +1, в гидридах металлов встречается: Н-1.
8. Фтор — наиболее электроотрицательный из всех элементов, его состояние окисления всегда равно -4.
9. Для большинства металлов окислительные числа и валентности совпадают.

Степень окисления и валентность

Большинство соединений образуются в результате окислительно-восстановительных процессов. Переход или смещение электронов от одних элементов к другим приводит к изменению их состояния окисления и валентности. Зачастую эти величины совпадают. В качестве синонима к термину «степень окисления» можно использовать словосочетание «электрохимическая валентность». Но есть исключения, например, в ионе аммония азот четырехвалентен. Одновременно атом этого элемента находится в состоянии окисления -3. В органических веществах углерод всегда четырехвалентен, но состояния окисления атома С в метане СН 4 , муравьином спирте СН 3 ОН и кислоте НСООН имеют другие значения: -4, -2 и +2.

Окислительно-восстановительные реакции

К окислительно-восстановительным относятся многие важнейшие процессы в промышленности, технике, живой и неживой природе: горение, коррозия, брожение, внутриклеточное дыхание, фотосинтез и другие явления.

При составлении уравнений ОВР подбирают коэффициенты, используя метод электронного баланса, в котором оперируют следующими категориями:

• степени окисления;
• восстановитель отдает электроны и окисляется;
• окислитель принимает электроны и восстанавливается;
• число отданных электронов должно быть равно числу присоединенных.

Приобретение электронов атомом приводит к понижению его степени окисления (восстановлению). Утрата атомом одного или нескольких электронов сопровождается повышением окислительного числа элемента в результате реакций. Для ОВР, протекающих между ионами сильных электролитов в водных растворах, чаще используют не электронный баланс, а метод полуреакций.

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 "сайт"

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.

При изучении ионной и ковалентной полярной химической связи вы знакомились со сложными веществами, состоящими из двух химических элементов. Такие вещества называют би парными (от лат. би — «два») или двухэлементными.

Вспомним типичные бпнарные соединения, которые мы привели в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентноЙ полярной химической связи : NaHl — 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 НСl связь образуется за счет спаривания не-спаренных 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 p-облаком атома хлора:

При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора:

Такие условные заряды называются 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.

— это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из 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 пли к которым смещены общие электронные пары, то есть атомы более электроотрицательных элементов. Фтор всегда имеет степень окисления -1 во всех соединениях. Кислород , второй после фтора по значению элекгроотрицательности 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, то есть атомы менее электроотрицательных элементов. Металлы всегда имеют положительную степень окисления. У металлов главных подгрупп:

I группы во всех соединениях степень окисления равна +1,
II группы равна +2. III группы — +3, например:

В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, всегда можно найти степень окисления другого элемента по формуле бинарного соединения. Например, найдем степень окисления хлора в соединении Сl2О2. Обозначим степень окисления -2
кислорода: Сl2О2. 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.

Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например карбида алюминия (соединения алюминия и углерода). Запишем знаки алюминия н углерода рядом АlС, причем сначала знак алюминия, так как это металл. Определим по таблице элементов Менделеева число внешних электронов: у Аl — 3 электрона, у С — 4. Атом алюминия отдаст свои 3 внешних электрона углероду и получит при этом степень окисления +3, равную заряду иона. Атом углерода, наоборот, примет недостающие до "заветной восьмерки" 4 электрона и получит при этом степень окисления -4.

Запишем эти значения в формулу: АlС, и найдем наименьшее общее кратное для них, оно равно 12. Затем рассчитаем индексы:

Знать степени окисления элементов необходимо и для того, чтобы уметь правильно называть химическое соединение.

Названия бинарных соединений состоят из двух слов — названий образующих их 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. Если же электроположительный элемент проявляет разные степени окисления, то это отражают в названии, обозначив степень окисления римской цифрой, которая ставится в конце.

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.Фурктуа, Л.Гитоном и К.Бертолле в 1785г. В настоящее время Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) координирует деятельность ученых рядных стран и издает рекомендации по номенклятурс веществ и терминологии, используемой к химии.

Степени окисления элементов. Как найти степени окисления?

1) В простом веществе степень окисления любого элемента равна 0. Примеры: Na 0 , H 0 2 , P 0 4 .

2) Необходимо запомнить элементы, для которых характерны неизменные степени окисления. Все они перечислены в таблице.

3) Поиск степеней окисления остальных элементов основан на простом правиле:

В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех элементов равна нулю, а в ионе - заряду иона.

Рассмотрим применение этого правила на простых примерах.

Пример 1 . Необходимо найти степени окисления элементов в аммиаке (NH 3).

Решение . Мы уже знаем (см. 2), что ст. ок. водорода равна +1. Осталось найти эту характеристику для азота. Пусть х - искомая степень окисления. Составляем простейшее уравнение: х + 3*(+1) = 0. Решение очевидно: х = -3. Ответ: N -3 H 3 +1 .

Пример 2 . Укажите степени окисления всех атомов в молекуле H 2 SO 4 .

Решение . Степени окисления водорода и кислорода уже известны: H(+1) и O(-2). Составляем уравнение для определения степени окисления серы: 2*(+1) + х + 4*(-2) = 0. Решая данное уравнение, находим: х = +6. Ответ: H +1 2 S +6 O -2 4 .

Пример 3 . Рассчитайте степени окисления всех элементов в молекуле Al(NO 3) 3 .

Решение . Алгоритм остается неизменным. В состав "молекулы" нитрата алюминия входит один атом Al(+3), 9 атомов кислорода (-2) и 3 атома азота, степень окисления которого нам и предстоит вычислить. Соответствующее уравнение: 1*(+3) + 3х + 9*(-2) = 0. Ответ: Al +3 (N +5 O -2 3) 3 .

Пример 4 . Определите степени окисления всех атомов в ионе (AsO 4) 3- .

Решение . В данном случае сумма степеней окисления будет равна уже не нулю, а заряду иона, т. е., -3. Уравнение: х + 4*(-2) = -3. Ответ: As(+5), O(-2).

А можно ли определить степени окисления сразу нескольких элементов, пользуясь похожим уравнением? Если рассматривать данную задачу с точки зрения математики, ответ будет отрицательным. Линейное уравнение с двумя переменными не может иметь однозначного решения. Но ведь мы решаем не просто уравнение!

Пример 5 . Определите степени окисления всех элементов в (NH 4) 2 SO 4 .

Решение . Степени окисления водорода и кислорода известны, серы и азота - нет. Классический пример задачи с двумя неизвестными! Будем рассматривать сульфат аммония не как единую "молекулу", а как объединение двух ионов: NH 4 + и SO 4 2- . Заряды ионов нам известны, в каждом из них содержится лишь один атом с неизвестной степенью окисления. Пользуясь опытом, приобретенным при решении предыдущих задач, легко находим степени окисления азота и серы. Ответ: (N -3 H 4 +1) 2 S +6 O 4 -2 .

Вывод: если в молекуле содержится несколько атомов с неизвестными степенями окисления, попробуйте "разделить" молекулу на несколько частей.

Пример 6 . Укажите степени окисления всех элементов в CH 3 CH 2 OH.

Решение . Нахождение степеней окисления в органических соединениях имеет свою специфику. В частности, необходимо отдельно находить степени окисления для каждого атома углерода. Рассуждать можно следующим образом. Рассмотрим, например, атом углерода в составе метильной группы. Данный атом С соединен с 3 атомами водорода и соседним атомом углерода. По связи С-Н происходит смещение электронной плотности в сторону атома углерода (т. к. электроотрицательность С превосходит ЭО водорода). Если бы это смещение было полным, атом углерода приобрел бы заряд -3.

Атом С в составе группы -СН 2 ОН связан с двумя атомами водорода (смещение электронной плотности в сторону С), одним атомом кислорода (смещение электронной плотности в сторону О) и одним атомом углерода (можно считать, что смещения эл. плотности в этом случае не происходит). Степень окисления углерода равна -2 +1 +0 = -1.

Ответ: С -3 H +1 3 C -1 H +1 2 O -2 H +1 .

Copyright Repetitor2000.ru, 2000-2015