Глава V.38 Степень окисления

🎧 Аудио сопровождение

Важное значение в химии имеет понятие «степень окисления». Что оно означает? Как рассчитывается степень окисления атомов в химическом соединении?

Принято считать, что заряженные частицы (ионы), образующие вещества ионного строения, имеют целочисленное значение заряда, так как одни атомы отдали свои электроны и получили целый положительный заряд, другие присоединили их и получили целый отрицательный заряд.

В веществах молекулярного строения с ковалентной неполярной связью атомы заряда не имеют.

В веществах с ковалентной полярной связью атомы имеют лишь частичный положительный или отрицательный заряд. Можно представить, что и такие вещества состоят из ионов, тогда этот заряд также получит целочисленное значение. Например, в молекуле хлороводорода с частичными зарядами H^+0,18Cl^-0,18эти значения будут равны +1 и –1, соответственно $\overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{Cl}$ .

162

Степень окисления – это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все ковалентные полярные связи превратились в ионные.

Значение степени окисления записывается над символом химического элемента сверху в таком порядке: вначале знак заряда, а затем его величина:

${\overset{0}{O}}_{2},$ ${\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{- 2}{O},$ $\overset{- 3}{N} {\overset{+ 1}{H}}_{3},$ ${\overset{+ 7}{Cl}}_{2} {\overset{- 2}{O}}_{7}$

Для обозначения зарядов ионов поступают наоборот. Например, для оксида кальция: $\overset{+ 2}{Са} \overset{- 2}{О}$ (степени окисления), но Ca²⁺O^2-(заряды ионов). Для единичного заряда степень окисления записывают +1 и –1, а для обозначения зарядов ионов единицу не пишут, а обозначают их просто «+» и «–», например: $\overset{+ 1}{Na} \overset{- 1}{Cl}$ (степени окисления), но Na⁺Cl⁻(заряды ионов). Некоторые химические элементы в соединениях проявляют постоянную степень окисления. К ним относятся:

щелочные металлы, т. е. химические элементы IA-группы Периодической системы Д. И. Менделеева, которые всегда имеют степень окисления, равную +1;
металлы IIA-группы Периодической системы Д. И. Менделеева, степень окисления которых всегда равна +2;
алюминий, имеющий степень окисления +3;
фтор, имеющий степень окисления –1;
кислород, проявляющий в подавляющем большинстве соединений степень окисления –2;
водород, имеющий в соединениях с большинством неметаллов степень окисления +1, а в соединениях с металлами степень окисления –1.

Другие химические элементы проявляют переменные степени окисления. Например, для хлора характерен набор нечётных степеней окисления: –1, +1, +3, +5, +7, а для серы – чётных: –2, +2, +4, +6.

Следует помнить, что сумма степеней окисления всех химических элементов в молекуле или формульной единице вещества равна нулю (вещество в целом электронейтрально). В простых веществах, которые образованы из атомов одного химического элемента, степень окисления также равна нулю.

Пользуясь этими правилами, можно найти степень окисления одного химического элемента по степени окисления другого для сложных веществ: двухэлементных (бинарных) или трёхэлементных соединений.

Например, найдём степень окисления азота в соединении, формула которого N₂O₅. Обозначим известную степень окисления кислорода –2, тогда пять атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд (–2) ∙ 5 = –10. Вычислим степень окисления азота: так как сумма степеней окисления в молекуле равна нулю, общий заряд двух атомов азота будет равен +10, а одного атома – +5 (+10: 2 = +5). Запишем формулу соединения со степенями окисления элементов: $\overset{+ 5}{N_{2}} \overset{- 2}{O_{5}}$ .

163

Формула соединения. Зная степени окисления элементов, можно легко вывести формулу бинарного соединения.

Например, выведем формулу сульфида алюминия – соединения алюминия и серы.

Запишем сначала знак металла, так как он обязательно имеет положительное значение степени окисления, а затем знак неметалла: AlS.
Определим степень окисления алюминия (если она нам не известна) по положению его в Периодической системе Д. И. Менделеева: +3. Атом серы, имеющий 6 электронов на внешнем слое (сера – элемент VIА-группы), примет недостающие до завершения слоя два электрона. Степень окисления серы станет равна –2.
Запишем эти значения над знаками элементов: $\overset{+ 3}{Fe} \overset{- 1}{{Cl}_{3}}$ .
Определим наименьшее общее кратное для этих чисел (оно равно 6), найдём индексы для каждого элемента путём деления общего кратного чисел на значения степеней окисления (для алюминия 6 : 3 = 2, для серы 6 : 2 = 3) и выведем формулу: Al₂S₃.

Название соединения. Рассмотрим основы химической номенклатуры (системы названий) для бинарных соединений. Названия таких соединений образуются из латинского названия более электроотрицательного элемента с суффиксом -ид в именительном падеже и русского названия электроположительного элемента в родительном падеже с указанием в конце такого названия значения степени окисления (c. о.), если она переменная.

элемент-ид + элемент-а + римскими цифрами с. о., если она переменная

Например, $\overset{+ 3}{Fe} {\overset{- 1}{Cl}}_{3}$ – хлорид железа (III); ${\overset{+ 1}{K}}_{2} \overset{- 2}{S}$ – сульфид калия; $\overset{+ 2}{Ca} {\overset{+ 1}{H}}_{2}$ – гидрид кальция; $\overset{+ 2}{Cu} \overset{- 2}{O}$ – оксид меди (II); ${\overset{+ 3}{Fe}}_{2} {\overset{- 2}{O}}_{3}$ – оксид железа (III); $\overset{+ 2}{O} {\overset{- 1}{F}}_{2}$ – фторид кислорода (II); $\overset{+ 4}{S} {\overset{- 2}{O}}_{2}$ – оксид серы (IV).

Для соединений, состоящих более чем из двух элементов, также несложно рассчитать степени окисления. Рассмотрим, как это сделать, на примере формулы серной кислоты Н₂SO_4.

Степень окисления водорода +1, а кислорода –2.

${\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{x}{S} {\overset{- 2}{O}}_{4}$

Степень окисления серы рассчитывается по уравнению

2 ∙ (+1) + x + ∙ (–2) = 0, x = +6

${\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{+ 6}{S} {\overset{- 2}{O}}_{4}$

164

Рассчитаем степень окисления марганца в перманганате калия KMnO₄, хорошо известном вам под бытовым названием «марганцовка».

Степень окисления калия, как элемента IA-группы Периодической системы Д. И. Менделеева, равна +1. У кислорода степень окисления –2. Отсюда

$\overset{+ 1}{K} \overset{x}{Mn} {\overset{- 2}{O}}_{4}$

+1 + x + 4 ∙ (–2) = 0, x = +7

$\overset{+ 1}{K} \overset{+ 7}{Mn} {\overset{- 2}{O}}_{4}$

Следует помнить, что степень окисления и валентность химических элементов – это не одно и то же. Например, валентность азота в простом веществе равна трём, а степень окисления – нулю. В пероксиде водорода степени окисления водорода и кислорода соответственно равны +1 и –1: ${\overset{+ 1}{H}}_{2} {\overset{- 1}{O}}_{2}$ . Валентность водорода также равна I, а вот валентность кислорода равна II, что отражает структурная формула этого соединения: H — O — O — H.

Степень окисления и заряд иона. Правила расчёта степеней окисления по формулам соединений. Составление формул веществ по степеням окисления. Номенклатура бинарных соединений

Проверьте свои знания

Дайте определение понятия «степень окисления».
Назовите элементы с постоянной и переменной степенью окисления. Как соотносится положение химического элемента в таблице Д. И. Менделеева со значениями его степеней окисления?

Примените свои знания

Сравните понятия «степень окисления» и «валентность». Приведите примеры веществ, в которых величины валентности и степени окисления совпадают и различаются.
Рассчитайте степени окисления атомов химических элементов в веществах:
а) Na₂S; б) F₂; в) KNO₃; г) Са₃Р₂; д) BF₃.
Расположите формулы веществ в порядке увеличения степени окисления атома хлора: KClO₃, Cl₂, HClO₄, FeCl₃, Ca(ClO)₂, ClO₃, KClO₂.
При каких превращениях веществ степени окисления атомов увеличились, при каких – уменьшились: а) HBr → Br₂; б) FeO → Fe₂O₃; в) S → ZnS; г) KMnO₄ → K₂MnO₄?

Используйте дополнительную информацию

Назовите соединения, имеющие формулы: Na₂O, CaS, FeS, Сa₃N₂, Mg₂Si, СO, ССI₄.

165