Чтобы правильно расставлять степени окисления , необходимо держать в голове четыре правила.
1) В простом веществе степень окисления любого элемента равна 0. Примеры: Na 0 , H 0 2 , P 0 4 .
2) Следует запомнить элементы, для которых характерны постоянные степени окисления . Все они перечислены в таблице.
3) Высшая степень окисления элемента, как правило, совпадает с номером группы, в которой находится данный элемент (например, фосфор находится в V группе, высшая с. о. фосфора равна +5). Важные исключения: F, O.
4) Поиск степеней окисления остальных элементов основан на простом правиле:
В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех элементов равна нулю, а в ионе - заряду иона.
Несколько простых примеров на определение степеней окисления
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).
Что делать, если неизвестны степени окисления двух элементов
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.
Как расставлять степени окисления в органических соединениях
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 .
Не смешивайте понятия "валентность" и "степень окисления"!
Степень окисления часто путают с валентностью . Не совершайте подобной ошибки. Перечислю основные отличия:
- степень окисления имеет знак (+ или -), валентность - нет;
- степень окисления может быть равна нулю даже в сложном веществе, равенство валентности нулю означает, как правило, что атом данного элемента не соединен с другими атомами (всякого рода соединения включения и прочую "экзотику" здесь обсуждать не будем);
- степень окисления - формальное понятие, которое приобретает реальный смысл лишь в соединениях с ионными связями, понятие "валентность", наоборот, наиболее удобно применять по отношению к ковалентным соединениям.
Степень окисления (точнее, ее модуль) часто численно равен валентности, но еще чаще эти величины НЕ совпадают. Например, степень окисления углерода в CO 2 равна +4; валентность С также равна IV. А вот в метаноле (CH 3 OH) валентность углерода остается той же, а степень окисления С равна -1.
Небольшой тест на тему "Степень окисления"
Потратьте несколько минут, проверьте, как вы усвоили эту тему. Вам необходимо ответить на пять несложных вопросов. Успехов!
Химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный тип.
Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, а в ионе - заряду иона .
1. Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные.
2. Высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au +3 (I группа), Cu +2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru .
3. Степени окисления неметаллов зависят от того, с каким атомом он соединён:
- если с атомом металла, то степень окисления отрицательная;
- если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов.
4. Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.
5. Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.
Элементы с неизменными степенями окисления.
|
Элемент |
Характерная степень окисления |
Исключения |
|
Гидриды металлов: LIH -1 |
||
|
Степенью окисления называют условный заряд частицы в предположении, что связь полностью разорвана (имеет ионных характер). H - Cl = H + + Cl - , Связь в соляной кислоте ковалентная полярная. Электронная пара в большей степени смещена в сторону атома Cl - , т.к. он более электроотрицацельный элемент. Как определить степень окисления?Электроотрицательность - это способность атомов притягивать к себе электроны других элементов. Степень окисления указывается над элементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 , K + Cl - и т.д. Она может быть отрицательной и положительной. Степень окисления простого вещества (несвязанное, свободное состояние) равна нулю. Степень окисления кислорода у большинстве соединений равна -2 (исключение составляют пероксиды Н 2 О 2 , где она равна -1 и соединения с фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ). - Степень окисления простого одноатомного иона равна его заряду: Na + , Ca +2 . Водород в своих соединениях имеет степень окисления равную +1 (исключения составляют гидриды - Na + H - и соединения типа C +4 H 4 -1 ). В связях «металл-неметалл» отрицательную степень окисления имеет тот атом, который обладает большей электрооприцательностью (данные об элеткроотрицательности приведены в шкале Полинга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - и т.д. Правила определения степени окисления в химических соединениях.Возьмем соединение KMnO 4 , необходимо определить степень окисления у атома марганца. Рассуждения:
К + Mn X O 4 -2 Пусть Х - неизвестная нам степень окисления марганца. Количество атомов калия - 1, марганца - 1, кислорода - 4. Доказано, что молекула в целом электронейтральна, поэтому ее общий заряд должен быть равен нулю. 1*(+1) + 1*(X ) + 4(-2) = 0, Х = +7, Значит, степень окисления марганца в перманганате калия = +7. Возьмем другой пример оксида Fe 2 O 3 . Необходимо определить степень окисления атома железа. Рассуждение:
2*(Х) + 3*(-2) = 0, Вывод: степень окисления железа в данном оксиде равна +3. Примеры. Определить степени окисления всех атомов в молекуле. 1. K 2 Cr 2 O 7 . Степень окисления К +1 , кислорода О -2 . Учитывая индексы: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2). Т.к. алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, то число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Степени окисления К+О=(-14)+(+2)=(-12). Из этого следует, что у атома хрома число положительных степеней равно 12, но атомов в молекуле 2, значит на один атом приходится (+12):2=(+6). Ответ: К 2 + Cr 2 +6 O 7 -2 . 2. (AsO 4) 3- . В данном случае сумма степеней окисления будет равна уже не нулю, а заряду иона, т. е. - 3. Составим уравнение: х+4×(- 2)= - 3 . Ответ: (As +5 O 4 -2) 3- . |
Одним из основных понятий в химии, широко использующимся при составлении уравненийокислительно-восстановительных реакций, является степень окисления атомов.
В практических целях (при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций) заряды на атомах в молекулах с полярными связями удобно представлять в виде целых чисел, равных таким зарядам, которые возникли бы на атомах, если бы валентные электроны полностью переходили к более электроотрицательным атомам, т.е. если бы связи были полностью ионными. Такие величины зарядов получили название степеней окисления. Степень окисления любого элемента в простом веществе всегда равна 0.
В молекулах сложных веществ некоторые элементы всегда имеют постоянную степень окисления. Для большинства элементов характерны переменные степени окисления, различающиеся как знаком, так и величиной, в зависимости от состава молекулы.
Часто степень окисления равна валентности и отличается от нее только знаком. Но встречаются соединения, в которых степень окисления элемента не равна его валентности. Как уже отмечалось, в простых веществах степень окисления элемента всегда равна нулю независимо от его валентности. В таблице сопоставлены валентности и степени окисления некоторых элементов в различных соединениях.
Степень окисления атома (элемента) в соединении – это условный заряд, вычисленный в предположении, что соединение состоит только из ионов. При определении степени окисления условно предполагают, что валентные электроны в соединении переходят к более электроотрицательным атомам, а потому соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов. В действительности же в большинстве случаев происходит не полная отдача электронов, а только смещение электронной пары от одного атома к другому. Тогда можно дать другое определение: Степень окисления – это тот электрический заряд, который возник бы на атоме, если бы электронные пары, которыми он связан с другими атомами в соединении, перешли к более электроотрицательным атомам, а электронные пары, связывающие одинаковые атомы, были бы между ними поделены.
При вычислении степеней окисления используется ряд простых правил:
1 . Степень окисления элементов в простых веществах, как одноатомных, так и молекулярных, равна нулю (Fe 0 , O 2 0).
2 . Степень окисления элемента в виде одноатомного иона равна заряду этого иона (Na +1 , Ca +2 , S –2).
3 . В соединениях с ковалентной полярной связью отрицательный заряд относится к более электроотрицательному атому, а положительный – к менее электроотрицательному атому, причем степени окисления элементов принимают следующие значения:
Степень окисления фтора в соединениях всегда равна -1;
Степень окисления кислорода в соединениях равна -2 (); за исключением пероксидов, где она формально равна -1 (), фторида кислорода, где она равна +2 (),а также надпероксидов и озонидов, в которых степень окисления кислорода равна -1/2;
Степень окисления водорода в соединениях равна +1 (), за исключением гидридов металлов, где она равна -1 (
);
Для щелочных и щелочноземельных элементов степень окисления равна +1 и +2 соответственно.
Большинство элементов могут проявлять переменную степень окисления.
4 . Алгебраическая сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю, в комплексном ионе – заряду иона.
Для элементов с непостоянной степенью окисления ее значение нетрудно вычислить, зная формулу соединения и пользуясь правилом №4. Например, необходимо определить степень окисления фосфора в фосфорной кислоте Н 3 РО 4 . Поскольку у кислорода СО =–2, а у водорода СО = +1, то для нулевой суммы у фосфора степень окисления должна быть равна +5:
Например, в NH 4 Cl сумма степеней окисления всех атомов водорода равна 4×(+1), а степень окисления хлора -1, следовательно, степень окисления азота должна быть равна-3. В сульфат-ионе SO 4 2– сумма степеней окисления четырех атомов кислорода равна -8, поэтому сера должна иметь степень окисления +6, чтобы полный заряд иона был равен -2.
Понятие степени окисления для большинства соединений имеет условный характер, т.к. не отражает реальный эффективный заряд атома, однако это понятие весьма широко используется в химии.
Максимальная, а для неметаллов и минимальная степень окисления имеет периодическую зависимость от порядкового номера в ПСХЭ Д.И. Менделеева, что обусловлено электронным строением атома.
| Элемент | Значения степени окисления и примеры соединений |
| F | –1 (HF, KF) |
| O | –2 (H 2 O, CaO, CO 2); –1 (H 2 O 2); +2 (OF 2) |
| N | –3 (NH 3); –2(N 2 H 4); –1 (NH 2 OH); +1 (N 2 O); +2 (NO); +3 (N 2 O 3 , HNO 2); +4 (NO 2); +5 (N 2 O 5 , HNO 3) |
| Cl | –1 (HCl, NaCl); +1 (NaClO); +3 (NaClO 2); +5 (NaClO 3); +7 (Cl 2 O 7 , NaClO 4) |
| Br | –1 (KBr); +1 (BrF); +3 (BrF 3); +5 (KBrO 3) |
| I | –1 (HI); +1 (ICl); +3 (ICl 3); +5 (I 2 O 5); +7 (IO 3 F, K 5 IO 6) |
| C | –4 (CH 4); +2 (CO); +4 (CO 2 , CCl 4) |
| Si | –4 (Ca 2 Si); +2 (SiO); +4 (SiO 2 , H 2 SiO 3 , SiF 4) |
| H | –1 (LiH); +1 (H 2 O, HCl) |
| S | –2 (H 2 S, FeS); +2 (Na 2 S 2 O 3); +3 (Na 2 S 2 O 4); +4 (SO 2 , Na 2 SO 3 , SF 4); +6 (SO 3 , H 2 SO 4 , SF 6) |
| Se, Te | –2 (H 2 Se, H 2 Te); +2 (SeCl 2 , TeCl 2); +4 (SeO 2 , TeO 2); +6 (H 2 SeO 4 , H 2 TeO 4) |
| P | –3 (PH 3); +1 (H 3 PO 2); +3 (H 3 PO 3); +5 (P 2 O 5 , H 3 PO 4) |
| As, Sb | –3 (GaAs, Zn 3 Sb 2); +3 (AsCl 3 , Sb 2 O 3); +5 (H 3 AsO 4 , SbCl 5) |
| Li, Na, K | +1 (NaCl) |
| Be, Mg, Ca | +2 (MgO, CaCO 3) |
| Al | +3 (Al 2 O 3 , AlCl 3) |
| Cr | +2 (CrCl 2); +3 (Cr 2 O 3 , Cr 2 (SO 4) 3); +4 (CrO 2); +6 (K 2 CrO 4 , K 2 Cr 2 O 7) |
| Mn | +2 (MnSO 4); +3 (Mn 2 (SO 4) 3); +4 (MnO 2); +6 (K 2 MnO 4); +7 (KMnO 4) |
| Fe | +2 (FeO, FeSO 4); +3 (Fe 2 O 3 , FeCl 3); +4 (Na 2 FeO 3) |
| Cu | +1 (Cu 2 O); +2 (CuO, CuSO 4 , Cu 2 (OH) 2 CO 3) |
| Ag | +1 (AgNO 3) |
| Au | +1 (AuCl); +3 (AuCl 3 , KAuCl 4) |
| Zn | +2 (ZnO, ZnSO 4) |
| Hg | +1 (Hg 2 Cl 2); +2 (HgO, HgCl 2) |
| Sn | +2 (SnO); +4 (SnO 2 , SnCl 4) |
| Pb | +2 (PbO, PbSO 4); +4 (PbO 2) |
В химических реакциях должно выполняться правило сохранения алгебраической суммы степеней окисления всех атомов. В полном уравнении химической реакции окислительные и восстановительные процессы должны точно компенсировать друг друга.Хотя степень окисления, как отмечалось выше, довольно формальное понятие, оно применяется в химии для следующих целей: во-первых, для составления уравненийокислительно-восстановительных реакций, во-вторых, для предсказания окислительно-восстановительных свойств элементов в соединении.
Для многих элементов характерно несколько значений степеней окисления, и, вычислив егостепень окисления, можно предвидеть окислительно-восстановительные свойства: элемент в наибольшей отрицательной степени окисления может только отдавать электроны (окисляться) и быть восстановителем, в наибольшей положительной степени окисления – только принимать электроны (восстанавливаться) и быть окислителем, в промежуточных степенях окисления – и окисляться, и восстанавливаться.
Окисление-восстановление - это единый, взаимосвязанный процесс. Окисление соответствует увеличению степени окисления элемента, а восстановление - ее уменьшению.
Во многих пособиях придерживаются толкования окисления как потерю электронов, а восстановления – как их присоединения. Этот подход, предложенный русским ученым Писаржевским (1916 г.), применим к электрохимическим процессам на электродах, относится к разрядке (зарядке) ионов и молекул.
Однако, объяснение изменения степеней окисления как процессов отрыва и присоединения электронов, в общем случае неверно. Оно может быть применено к некоторым простым ионам типа
Cl - - ®Cl 0 .
Для изменения степени окисления атомов в сложных ионах типа
CrO 4 2 - ®Cr +3
уменьшению положительной степени окисления хрома с +6 до +3 соответствует меньшее реальное увеличение положительного заряда (на Cr в CrO 4 2 - реальный заряд » +0,2 заряда электрона, а на Cr +3 - от +2 до +1,5 в разных соединениях).
Перенос заряда от восстановителя к окислителю, равный изменению степени окисления, происходит при этом с участием других частиц, например ионов Н + :
CrO 4 2 - + 8Н + + 3 ®Cr +3 + 4Н 2 О.
Представленная запись носит название полуреакции .
Похожая информация.