Задача по определению степени окисления может оказаться как простой формальностью, так и сложной головоломкой. В первую очередь, это будет зависеть от формулы химического соединения, а также наличия элементарных знаний по химии и математике.
Зная основные правила и алгоритм последовательно-логичных действий, о которых пойдет речь в данной статье, при решении задач подобного типа, каждый с легкостью сможет справиться с этим заданием. А потренировавшись и научившись определять степени окисления разноплановых химических соединений, можно смело браться за уравнивание сложных окислительно-восстановительных реакций методом составления электронного баланса.
Понятие степени окисления
Чтобы научиться определять степень окисления, для начала необходимо разобраться, что это понятие означает?
- Степень окисления применяют при записи в окислительно-восстановительных реакциях, когда происходит передача электронов от атома к атому.
- Степень окисления фиксирует количество перенесенных электронов, обозначая условный заряд атома.
- Степень окисления и валентность зачастую тождественны.
Данное обозначение пишется сверху химического элемента, в его правом углу, и представляет собой целое число со знаком «+» или «-». Нулевое значение степени окисления знака не несет.
Правила определения степени окисления
Рассмотрим основные каноны определения степени окисления:
- Простые элементарные вещества, то есть те, которые состоят из одного вида атомов, всегда будут иметь нулевую степень окисления. Например, Na0, H02, P04
- Существует ряд атомов, имеющих всегда одну, постоянную, степень окисления. Приведенные в таблице значения лучше запомнить.
- Как видно, исключение бывает лишь у водорода в соединении с металлами, где он приобретает не свойственную ему степень окисления «-1».
- Кислород также принимает степень окисления «+2» в химическом соединении с фтором и «-1» в составах перекисей, надперекисей или озонидов, где атомы кислорода соединены друг с другом.
- Ионы металлов имеют несколько значений степени окисления (причем только положительные), поэтому ее определяют по соседним элементам в соединении. Например, в FeCl3, хлор имеет степень окисления «-1», у него 3 атома, значит умножаем -1 на 3, получаем «-3». Чтобы в сумме степеней окисления соединения получась «0», железо должно иметь степень окисления «+3». В формуле FeCl2, железо, соответственно, изменит свою степень на «+2».
- Математически суммируя степени окисления всех атомов в формуле (с учетом знаков), всегда должно получаться нулевое значение. Например, в соляной кислоте H+1Cl-1 (+1 и -1 = 0), а в сернистой кислоте H2+1S+4O3-2(+1 * 2 = +2 у водорода,+4 у серы и -2 * 3 = – 6 у кислорода; в сумме +6 и -6 дают 0).
- Степень окисления одноатомного иона будет равна его заряду. Например: Na+, Ca+2.
- Наивысшая степень окисления, как правило, соотносится с номером группы в периодической системе Д.И.Менделеева.
Алгоритм действий определения степени окисления
Порядок нахождения степени окисления не сложен, но требует внимания и выполнения определенных действий.
Задача: расставить степени окисления в соединении KMnO4
- Первый элемент – калий, имеет постоянную степень окисления «+1».
Для проверки можно посмотреть в периодическую систему, где калий находится в 1 группе элементов. - Из оставшихся двух элементов, кислород, как правило, принимает степень окисления «-2».
- Получаем следующую формулу: К+1MnхO4-2. Остается определить степень окисления марганца.
Итак, х – неизвестная нам степень окисления марганца. Теперь важно обратить внимание на количество атомов в соединении.
Количество атомов калия – 1, марганца – 1, кислорода – 4.
С учетом электронейтральности молекулы, когда общий (суммарный) заряд равен нулю,
1*(+1) + 1*(х) + 4(-2) = 0,
+1+1х+(-8) = 0,
-7+1х = 0,
(при переносе меняем знак)
1х = +7, х = +7
Таким образом, степень окисления марганца в соединении равна «+7».
Задача: расставить степени окисления в соединении Fe2O3.
- Кислород, как известно, имеет степень окисления «-2» и выступает окислителем. С учетом количества атомов (3), в сумме у кислорода получается значение «-6» (-2*3= -6), т.е. умножаем степень окисления на количество атомов.
- Чтобы уравновесить формулу и привести к нулю, 2 атома железа будут иметь степень окисления «+3» (2*+3=+6).
- В сумме получаем ноль (-6 и +6 = 0).
Задача: расставить степени окисления в соединении Al(NO3)3.
- Атом алюминия – один и имеет постоянную степень окисления «+3».
- Атомов кислорода в молекуле – 9 (3*3), степень окисления кислорода, как известно «-2», значит, умножая эти значения, получаем «-18».
- Осталось уровнять отрицательные и положительные значения, определив таким образом степень окисления азота. -18 и +3, не хватает + 15. А учитывая, что имеется 3 атома азота, легко определить его степень окисления: 15 делим на 3 и получаем 5.
- Степень окисления азота «+5», а формула будет иметь вид: Al+3(N+5O-23)3
- Если сложно таким способом определять искомое значение, можно составлять и решать уравнения:
1*(+3) + 3х + 9*(-2) = 0.
+3+3х-18=0
3х=15
х=5
Итак, степень окисления – достаточно важное понятие в химии, символизирующее состояние атомов в молекуле.
Без знания определенных положений или основ, позволяющих правильно определять степень окисления, невозможно справиться с выполнением этой задачи. Следовательно, вывод один: досконально ознакомиться и изучить правила нахождения степени окисления, четко и лаконично представленные в статье, и смело двигаться дальше по нелегкой стезе химических премудростей.
Умение находить степень окисления химических элементов является необходимым условием для успешного решения химический уравнений, описывающих окислительно-восстановительные реакции. Без него вы не сможете составить точную формулу вещества, получившегося в результате реакции между различными химическими элементами. В результате решение химических задач, построенных на подобных уравнениях, будет либо невозможным, либо ошибочным.
Понятие степени окисления химического элементаСтепень окисления – это условная величина, с помощью которой принято описывать окислительно-восстановительные реакции. Численно она равна количеству электронов, которое отдает атом приобретающий положительный заряд, или количеству электронов, которое присоединяет к себе атом, приобретающий отрицательный заряд.
В окислительно-восcтановительных реакциях понятие степень окисления используется для определения химических формул соединений элементов, получающихся в результате взаимодействия нескольких веществ.
На первый взгляд может показаться, что степень окисления эквивалентна понятию валентности химического элемента, но это не так. Понятие валентность используется для количественного выражения электронного взаимодействия в ковалентных соединениях, то есть в соединениях, образованных за счет образования общих электронных пар. Степень окисления используется для описания реакций, которые сопровождаются отдачей или присоединением электронов.
В отличии от валентности, являющейся нейтральной характеристикой, степень окисления может иметь положительное, отрицательное, или нулевое значение. Положительное значение соответствует числу отданных электронов, а отрицательная числу присоединенных. Нулевое значение означает, что элемент находится либо в форме простого вещества, либо он был восстановлен до 0 после окисления, либо окислен до нуля после предшествующего восстановления.
Как определить степень окисления конкретного химического элемента
Определение степени окисления для конкретного химического элемента подчиняется следующим правилам:
- Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
- Щелочные металлы, которые находятся в первой группе периодической таблицы, имеют степень окисления +1.
- Щелочноземельные металлы, занимающие в периодической таблице вторую группу, имеют степень окисления +2.
- Водород в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, а в соединениях с металлами +1.
- Степень окисления молекулярного кислорода во всех соединениях, рассматриваемых в школьном курсе неорганической химии, равна -2. Фтора -1.
- При определении степени окисления в продуктах химических реакций исходят из правила электронейтральности, в соответствии с которым сумма степеней окисления различных элементов, входящих в состав вещества, должна быть равна нулю.
- Алюминий во всех соединениях проявляет степень окисления равную +3.
Различают высшую, низшую и промежуточную степени окисления. Высшая степень окисления, как и валентность, соответствует номеру группы химического элемента в периодической таблице, но имеет при этом положительное значение. Низшая степень окисления численно равна разности между числом 8 группой элемента. Промежуточной степенью окисления будет любой число в диапазоне от низшей степени окисления до высшей.
Чтобы помочь вам сориентироваться в многообразии степеней окисления химических элементов предлагаем вашему вниманию следующую вспомогательную таблицу. Выберите в ней интересующий вас элемент и вы получите значения его возможных степеней окисления. В скобках будут указаны редко встречающиеся значения.
Современная формулировка Периодического закона, открытого Д. И. Менделеевым в 1869 г.:
Свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.
Периодически повторяющийся характер изменения состава электронной оболочки атомов элементов объясняет периодическое изменение свойств элементов при движении по периодам и группам Периодической системы.
Проследим, например, изменение высших и низших степеней окисления у элементов IA – VIIA-групп во втором – четвертом периодах по табл. 3.
Положительные степени окисления проявляют все элементы, за исключением фтора. Их значения увеличиваются с ростом заряда ядер и совпадают с числом электронов на последнем энергетическом уровне (за исключением кислорода). Эти степени окисления называют высшими степенями окисления. Например, высшая степень окисления фосфора Р равна +V.
Отрицательные степени окисления проявляют элементы, начиная с углерода С, кремния Si и германия Ge. Значения их равны числу электронов, недостающих до восьми. Эти степени окисления называют низшими степенями окисления. Например, у атома фосфора Р на последнем энергетическом уровне недостает трех электронов до восьми, значит, низшая степень окисления фосфора Р равна – III.
Значения высших и низших степеней окисления повторяются периодически, совпадая по группам; например, в IVA-группе углерод С, кремний Si и германий Ge имеют высшую степень окисления +IV, а низшую степень окисления – IV.
Эта периодичность изменения степеней окисления отражается на периодическом изменении состава и свойств химических соединений элементов.
Аналогично прослеживается периодическое изменение электроотрицательности элементов в 1-6-м периодах IA– VIIA-групп (табл. 4).
В каждом периоде Периодической системы электроотрицательность элементов увеличивается при возрастании порядкового номера (слева направо).
В каждой группе Периодической системы электроотрицательность уменьшается при возрастании порядкового номера (сверху вниз). Фтор F обладает наивысшей, а цезий Cs – наинизшей электроотрицательностью среди элементов 1-6-го периодов.
У типичных неметаллов – высокая электроотрицательность, а у типичных металлов – низкая.
Примеры заданий частей А, В1. В 4-м периоде число элементов равно
2. Металлические свойства элементов 3-го периода от Na до Сl
1) силиваются
2) ослабевают
3) не изменяются
4) не знаю
3. Неметаллические свойства галогенов с увеличением порядкового номера
1) возрастают
2) понижаются
3) остаются без изменений
4) не знаю
4. В ряду элементов Zn – Hg – Со – Cd один элемент, не входящий в группу, – это
5. Металлические свойства элементов повышаются по ряду
1) In – Ga – Al
2) К – Rb – Sr
3) Ge – Ga – Tl
4) Li – Be – Mg
6. Неметаллические свойства в ряду элементов Аl – Si – С – N
1) увеличиваются
2) уменьшаются
3) не изменяются
4) не знаю
7. В ряду элементов О – S – Se – Те размеры (радиусы) атома
1) уменьшаются
2) увеличиваются
3) не изменяются
4) не знаю
8. В ряду элементов Р – Si – Аl – Mg размеры (радиусы) атома
1) уменьшаются
2) увеличиваются
3) не изменяются
4) не знаю
9. Для фосфора элемент с меньшей электроотрицательностью – это
10. Молекула, в которой электронная плотность смещена к атому фосфора, – это
11. Высшая степень окисления элементов проявляется в наборе оксидов и фторидов
1) СlO 2 , РСl 5 , SeCl 4 , SO 3
2) PCl, Аl 2 O 3 , КСl, СО
3) SeO 3 , ВСl 3 , N 2 O 5 , СаСl 2
4) AsCl 5 , SeO 2 , SCl 2 , Cl 2 O 7
12. Низшая степень окисления элементов – в их водородных соединениях и фторидах набора
1) ClF 3 , NH 3 , NaH, OF 2
2) H 3 S + , NH+, SiH 4 , H 2 Se
3) CH 4 , BF 4 , H 3 O + , PF 3
4) PH 3 , NF+, HF 2 , CF 4
13. Валентность для многовалентного атома одинакова в ряду соединений
1) SiH 4 – AsH 3 – CF 4
2) РН 3 – BF 3 – ClF 3
3) AsF 3 – SiCl 4 – IF 7
4) H 2 O – BClg – NF 3
14. Укажите соответствие между формулой вещества или иона и степенью окисления углерода в них
Таблица. Степени окисления химических элементов.
Таблица. Степени окисления химических элементов.
Степень окисления
- это условный заряд атомов 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
.
|
Таблица: Элементы с неизменными степенями окисления. |
|
Таблица. Степени окисления химических элементов по алфавиту.
|
Таблица. Степени окисления химических элементов по номеру.
|
Оценка статьи:
Валентность -
- это способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами.
Правила определения валентности
1. В молекулах простых веществ: H 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 равна единице.
2. В молекулах простых веществ: O 2 , S 8 равна двум.
3. В молекулах простых веществ: N 2 , P 4 и CO - оксиде углерода (II) - равна трем.
4. В молекулах простых веществ, которые образует углерод (алмаз, графит), а также в органических соединениях, которые он образует, валентность углерода равна четырем.
5. В составе сложных веществ водород одновалентен, кислород, в основном, двухвалентен. Для определения валентности атомов других элементов в составе сложных веществ надо знать строение этих веществ.
Степень окисления
– это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (с ионной и ковалентной полярной связью) состоят только из ионов.
Высшая степень окисления элемента равна номеру группы.
Исключения:
фтор высшая степень окисления ноль в простом веществе F 2 0
кислород высшая степень окисления +2 во фториде кислорода О +2 F 2
Низшая степень окисления элемента равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые атом элемента может принять до завершенного восьми электронного уровня)
Правила определения степени окисления (далее обозначим: ст.ок.)
Общее правило: Сумма всех степеней окисления элементов в молекуле с учетом количества атомов равна нулю (Молекула электронейтральна.) , в ионе - равна заряду иона.
I. Степень окисления простых веществ равна нулю: Са 0 , O 2 0 , Cl 2 0
II. ст.ок. в бинарных c оединениях:
Менее электроотрицательный элемент ставится на первое место. (Исключения: С -4 Н 4 + метан и N -3 H 3 + аммиак)
Нужно помнить, что
Ст.ок. металла всегда положительна
Ст.ок. металлов I , II , III групп главных подгрупп постоянна и равна номеру группы
Для остальных ст.ок. вычисляется по общему правилу.
Более электроотрицательный элемент ставится на второе место, его ст.ок. равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые он принимает до завершенного восьми электронного уровня).
Исключения: пероксиды, например, Н 2 +1 О 2 -1 , Ba +2 O 2 -1 и др. ; карбиды металлов I и II групп Ag 2 +1 C 2 -1 , Ca +2 C 2 -1 и др. (В школьном курсе встречается соединение FeS 2 - пирит. Это дисульфид железа. Степень окисления серы в нем (-1) Fe +2 S 2 -1 ). Это происходит потому, что в этих соединениях есть связи между одинаковыми атомами -О-О-, -S -S- , тройная связь в карбидах между атомами углерода. Степень окисления и валентность элементов в этих соединениях не совпадают: у углерода валентность IV , у кислорода и серы II .
III. Степень окисления в основаниях Ме + n (ОН) n равна количеству гидроксогрупп .
1. в гидроксогруппе ст.ок. кислорода -2, водорода +1, заряд гидроксогруппы 1-
2. ст.ок. металла равна количеству гидроксогрупп
IV. Степень окисления в кислотах:
1. ст.ок. водорода +1, кислорода -2
2. ст.ок. центрального атома вычисляется по общему правилу путем решения простого уравнения
Например, Н 3 +1 Р х О 4 -2
3∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0
3 + х – 8 = 0
х = +5 (не забудьте знак +)
Можно запомнить , что у кислот с высшей ст.ок. центрального элемента, соответствующего номеру группы, название будет заканчиваться на –ная:
Н 2 СО 3 угольная Н 2 С +4 О 3
Н 2 Si О 3 кремниевая (искл.) Н 2 Si +4 О 3
НN О 3 азотная НN +5 О 3
Н 3 P О 4 фосфорная Н 3 P +5 О 4
Н 2 S О 4 серная Н 2 S +6 О 4
НСl О 4 хлорная НCl +7 О 4
Н Mn О 4 марганцовая НMn +7 О 4
Останется запомнить:
Н N О 2 азотистая НN +3 О 2
Н 2 S О 3 сернистая Н 2 S +4 О 3
НСl О 3 хлорноватая НCl +5 О 3
НСl О 2 хлористая НCl +3 О 2
НСl О хлорноватистая НCl +1 О
V. Степень окисления в солях
у центрального атома такая же, как в кислотном остатке. Достаточно помнить или определить ст.ок. элемента в кислоте.
VI. Степень окисления элемента в сложном ионе равна заряду иона.
Например, NH 4 + Cl - : записываем ион N х Н 4 +1
х + 4∙(+1) = +1
х= - 3;
ст.ок. азота -3
Наприме р, определить ст.ок. элементов в гексацианоферрате(III ) калия К 3
У калия +1: К 3 +1 , отсюда заряд иона 3-
У железа +3 (указано в названии) 3- , отсюда (CN ) 6 6-
У одной группы (CN ) -
Более электроотрицательный азот: у него -3, отсюда (C х N -3 ) -
х – 3 = - 1
х = +2
ст.ок. углерода +2
VII. Степень окисления углерода в органических соединениях разнообразна и вычисляется, исходя из учета того, что ст.ок. водорода равна +1, кислорода -2
Например, С 3 Н 6
3∙х + 6∙1 = 0
3х = -6
х = -2
ст.ок. углерода -2
(при этом валентность углерода равна IV)
Задание. Определить степень окисления и валентность фосфора в фосфорноватистой кислоте H 3 PO 2 .
Вычислим степень окисления фосфора.
Обозначим её за х. Подставим степень окисления водорода +1, а кислорода -2, умножив на соответствующее количество атомов: (+1) ∙ 3 + х + (-2) ∙ 2 = 0, отсюда х = +1.