Постоянную степень окисления 3. Небольшой тест на тему "Степень окисления"
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.
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:
В настоящее время описание химии любого элемента начинают с электронной формулы, выделения особых валентных электронов и сведений о степенях окисления, проявляемых элементов в соединениях.
Количество валентных электронов и тип орбиталей, на которых они находятся, определяет степени окисления, проявляемых элементом при образовании соединений .
Степень окисления металла определяется количеством электронов, участвующих в образовании связи с более электроотрицательными элементами (например, с кислородом, галогенами, серой и др.). Будем обозначать степень окисления элемента Х Э . Предельно возможная (максимальная) степень окисления определяется общим числом валентных электронов. При образовании соединения металл может использовать не все свои валентные электроны, в этом случае металл оказывается в некоторой промежуточной степени окисления. При этом для металлов р- и d-блоков, как правило, характерно несколько степеней окисления. Для каждого металла среди промежуточных степеней окисления можно выделить наиболее характерные, т.е. степени окисления, проявляемые металлом в своих распространенных и относительно устойчивых соединениях.
Степени окисления, проявляемые s- и р-металлами
У всех s-элементов есть только одна степень окисления, совпадающая с общим числом валентных электронов, т.е. все s-элементы 1 группы имеют степень окисления +1, а элементы второй группы +2.
У р-элементов из-за различий в энергии s- и p-орбиталей последнего слоя дифференцируются две степени окисления. Одна степень окисления определяется числом электронов на внешних р-орбиталях, а другая - общим количеством валентных электронов. Только у р-элементов 13 группы устойчивой является одна степень окисления +3, кроме Tl с более устойчивой степенью окисления +1.
У р-элементов 14 группы есть две степени окисления +2 и +4 .
У Bi есть две степени окисления +3 и +5 .
Особая «чувствительность» s-электронов к ядру, приводящая к тому, что при большом заряде ядра s- электроны сильнее им удерживаются, объясняет, почему у р-элементов 6 периода становится устойчивой степень окисления, связанная с потерей только р-электронов. У р-элементов шестого периода устойчивы
степени окисления:
+1 у Tl, +2 - у Pb и +
3-
у Bi.
В таблице приведены степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков.
Степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков
| периоды | ряды | Группы | ||||
| 1 | 2 | 13 | 14 | 15 | ||
| В. e- | ns 1 | ns 2 | ns 2 np 1 | ns 2 np 2 | ns 2 np 3 | |
| II | Li
+1 |
Be
+2 |
||||
| III | 3 | Na
+1 |
Mg
+2 |
Al
(1), 3 |
||
| IV | 4 | K
+1 |
Ca
+2 |
Ga
(1), 3 |
||
| V | 5 | Rb
+1 |
Sr
+2 |
In
(1), 3 |
Sn
2 , 4 |
|
| VI | 6 | Cs
+1 |
Ba
+2 |
Tl
1 , 3 |
Pb
2 , 4 |
Bi
3 , 5 |
Степени окисления d-металлов
Только d-элементы 3 и 12 групп имеют по одной степени окисления. У элементов 13 группы она равна общему числу электронов, т.е. +3. У элементов 12 группы d-орбитали полностью заполнены электронами и в образовании химических связей участвуют только два электрона с внешней s-орбитали, поэтому элементы 12 группы имеют одну степень окисления +2.
Максимальную степень окисления, обусловленную общим количеством электронов, проявляют только d-элементы 3 ¸ 7 групп. А также и Os и Ru, проявляющие степень окисления +8. При движении к концу переходных рядов с ростом числа электронов на d-орбиталях и повышением эффективного заряда ядра самая большая степень окисления становится меньше общего числа валентных электронов.
Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов .
Из-за различий в энергии s-электронов 4 слоя и d-электронов 3 слоя все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда.
У d-элементов 4 периода наиболее устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4 .
При большом заряде ядра s-электроны сильнее удерживаются, различие в энергиях ns- и (n-1)d-орбиталей уменьшается, и это приводит к тому, что у d-элементов 5 и 6 периодов высшие степени окисления в 3 ¸ 7 группах становятся самыми устойчивыми. Вообще, у d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления больше 4 . Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп.
В приведенных ниже таблицах указаны характерные степени окисления d-металлов, красным цветом выделены наиболее устойчивые. В таблицу не включены степени окисления, проявляемые металлами в редких и неустойчивых соединениях.
При описании химии любого элемента обязательно указывают характерные для него степени окисления.
Валентные электроны и наиболее характерные степени окисления для d-элементов 4 периода
| группа | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | I2 |
| Металлы 4 периода | 21 Sc | 22 Ti | 23 V | 24 Cr | 25 Mn | 26 Fe | 27 Co | 28 Ni | 29 Cu | 30 Zn |
В e- |
3d 1 4s 2 |
3d 2 4s 2 |
3d 3 4s 2 |
3d 5 4s 1 |
3d 5 4s 2 |
3d 6 4s 2 |
3d 7 4s 2 |
3d 8 4s 2 |
3d 10 4s 1 |
3d 10 4s 2 |
| Х max | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 6 | 3 (4) | 3 (4) | 2 (3) | 2 |
| Наиболее
характерные Х |
3 | 2, 3,4 | 2, 3, 4,5 | 2,3,6 | 2, 3, 4 6, 7 | 2, 3, 6 | 2, 3 | 2, 3 | 1, 2 | 2 |
| Наиболее
устойчивые Х |
3 | 4 | 4, 5 | 3 | 2, 4 | 2, 3 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Х в природных соединениях | 3 | 4 | 4, 5 | 3, 6 | 4, 2, 3 | 3, 2 | 2 | 2 | 2, 1 | 2 |
Наиболее характерные степени окисления для d-элементов 5 и 6 периодов
| группа | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | I2 |
| Металлы 5 периода | 39 Y | 40 Zr | 41 Nb | 42 Mo | 43 Tc | 44 Ru | 45 Rh | 46 Pd | 47 Ag | 48 Cd |
| В
e- |
4d 1 5s 2 | 4d 2 5s 2 | 4d 4 5s 1 | 4d 5 5s 1 | 4d 6 5s 1 | 4d 7 5s 1 | 4d 8 5s 1 | 4d 10 5s 0 | 4d 10 5 s 1 | 4d 10 5s 2 |
| Х
max |
3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 6 | 4 | 3 | 2 |
| Наиболее
характерные Х |
3 | 4 | 5 | 4, 6 | 4, 7 | 4 , 6,7,8 | 3, 4,5,6 | 2, 4 | 1, 2,3 | 2 |
| Наиболее
устойчивые Х |
3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 4 | 3 | 2 | 1 | 2 |
| Х в природных соединениях | 3 | 4 | 5 | 4, 6 | нет в природе | 0 | 0 | 0 | 0, 1 | 2 |
| Металлы 6 периода | 57 La | 72 Hf | 73 Ta | 74 W | 75 Re | 76 Os | 77 Ir | 78 Pt | 79 Au | 80 Hg |
| В
e- |
5d 1 6s 2 | 5d 2 6s 2 | 5d 3 6s 2 | 5d 4 6s 2 | 5d 5 6s 2 | 5d 6 6s 2 | 5d 7 6s 2 | 5d 9 6s 1 | 5d 10 6s 1 | 5d 10 6s 2 |
| Х max | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 6 | 4 (6) | 3 | 2 |
| Наиболее
характерные Х |
3 | 4 | 4, 5 | 4, 5, 6 | 4 ,5 6,7 | 4 , 6,7,8 | 3,4 ,5,6 | 2 ,4 , 6 | 1 , 3 | 2 |
| Более
устойчивые Х |
3 | 4 | 5 | 6 | 7, 4 | 4 | 4 | 4 | 1 | 2 |
| Х в природных соединениях | 3 | 4 | 5 | 6 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 |
Все соединения металлов в положительных степенях окисления способны проявлять окислительные свойства и восстанавливаться. Металлы и получают, восстанавливая соединения металла либо природные, либо предварительно полученные из природных минералов.
Соединения, содержащие элемент в любой степени окисления, меньшей, чем максимальная, способны окисляться, терять электроны и проявлять восстановительные свойства.
У соединений, содержащих металл в низкой и неустойчивой степени окисления, выражены восстановительные свойства. Так, например, соединения Ti(+2), V(+2), Cr(+2) восстанавливают воду.
2VO + 2H 2 O = 2VOOH + H 2
Вещества, содержащие элемент в высоких и неустойчивых степенях окисления, обычно проявляют сильные окислительные свойства, как например, соединения Mn и Cr в степенях окисления 6 и 7. Сильные окислительные свойства проявляет оксид PbO 2 и соли Bi(+5). У этих элементов высшие степени окисления неустойчивы.
- У р-элементов 13 группы устойчивой является одна степень окисления +3, кроме Tl с более устойчивой степенью окисления +1.
- У р-элементов 14 группы есть две степени окисления +2 и +4.
- У Bi есть две степени окисления +3 и +5.
- Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов.
- Все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда.
- У d-элементов 4 периода более устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4.
- У d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления ³ 4. Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп.
- Максимальную степень окисления, обусловленную общим количеством электронов, проявляют только d-элементы 3 ¸ 7 групп, а также Os и Ru, проявляющие степень окисления +8.
- Характерные степени окисления металлов указаны в таблицах.
- Степень окисления - это важный стехиометрический параметр, позволяющий записывать химические формулы соединений
- На степени окисления основывается окислительно-восстановительная классификация соединений. Cтепень окисления оказывается самой важной характеристикой металла при прогнозировании окислительно-восстановительных свойств его соединений.
- При кислотно-основной классификации оксидов и гидроксидов также опираются на степень окисления металла. Высокие степени окисления > +5 обуславливают кислотные свойства, а степени окисления £ +4, обеспечивают основные свойства.
- Роль степеней окисления велика в структурировании описания химии элемента, как правило, соединения группируют по степеням окисления.
Такой предмет школьной программы как химия вызывает многочисленные затруднения у большинства современных школьников, мало кто может определить степень окисления в соединениях. Наибольшие сложности у школьников, которые изучают то есть учеников основной школы (8-9 классы). Непонимание предмета приводит к возникновению неприязни у школьников к данному предмету.
Педагоги выделяют целый ряд причин такой «нелюбви» учеников средних и старших классов к химии: нежелание разбираться в сложных химических терминах, неумение пользоваться алгоритмами для рассмотрения конкретного процесса, проблемы с математическими знаниями. Министерством образования РФ были внесены серьезные изменение в содержание предмета. К тому же "урезали" и количество часов на преподавание химии. Это негативно сказалось на качестве знаний по предмету, снижению интереса к изучению дисциплины.
Какие темы курса химии даются школьникам труднее всего?
По новой программе в курс учебной дисциплины «Химия» основной школы включено несколько серьезных тем: периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева, классы неорганических веществ, ионный обмен. Труднее всего дается восьмиклассникам определение степени окисления оксидов.
Правила расстановки
Прежде всего ученики должны знать, что оксиды являются сложными двухэлементными соединениями, в состав которых включен кислород. Обязательным условием принадлежности бинарного соединения к классу оксидов является расположение кислорода вторым в данном соединении.
Алгоритм для кислотных оксидов
Для начала заметим, что степени численные выражения валентности элементов. Кислотные оксиды образованы неметаллами либо металлами с валентностью от четырех до семи, вторым в таких оксидах обязательно стоит кислород.
В оксидах валентность кислорода всегда соответствует двум, определить ее можно по периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Такой типичный неметалл как кислород, находясь в 6 группе главной подгруппы таблицы Менделеева, принимает два электрона, чтобы полностью завершить свой внешний энергетический уровень. Неметаллы в соединениях с кислородом чаще всего проявляют высшую валентность, которая соответствует номеру самой группы. Важно напомнить, что степень окисления химических элементов это показатель, предполагающий положительное (отрицательное) число.
Неметалл, стоящий в начале формулы, обладает положительной степенью окисления. Неметалл кислород же в оксидах стабилен, его показатель -2. Для того чтобы проверить достоверность расстановки значений в кислотных окислах, придется перемножить все поставленные вами цифры на индексы у конкретного элемента. Расчеты считаются достоверными, если суммарный итог всех плюсов и минусов поставленных степеней получается 0.
Составление двухэлементных формул
Степень окисления атомов элементов дает шанс создавать и записывать соединения из двух элементов. При создании формулы, для начала оба символа прописывают рядом, обязательно вторым ставят кислород. Сверху над каждым из записанных знаков прописывают значения степеней окисления, затем между найденными числами находится то число, что будет без какого-либо остатка делиться на обе цифры. Данный показатель необходимо поделить по отдельности на числовое значение степени окисления, получая индексы для первого и второго компонентов двухэлементного вещества. Высшая степень окисления равна численно значению высшей валентности типичного неметалла, идентична номеру группы, где стоит неметалл в ПС.
Алгоритм постановки числовых значений в основных оксидах
Подобными соединениями считаются оксиды типичных металлов. Они во всех соединениях имеют показатель степени окисления не более +1 либо +2. Для того чтобы понять, какую будет иметь степень окисления металл, можно воспользоваться периодической системой. У металлов основных подгрупп первой группы, данный параметр всегда постоянный, он аналогичен номеру группы, то есть +1.
Металлы основной подгруппы второй группы также характеризуются стабильной степенью окисления, в цифровом выражении +2. Степени окисления оксидов в сумме с учетом их индексов (числа) должны давать нуль, поскольку химическая молекула считается нейтральной, лишенной заряда, частицей.
Расстановка степеней окисления в кислородсодержащих кислотах
Кислоты представляют собой сложные вещества, состоящими из одного или нескольких атомов водорода, которые связаны с каким-то кислотным остатком. Учитывая, что степени окисления это цифровые показатели, для их вычисления потребуются некоторые математические навыки. Такой показатель для водорода (протона) в кислотах всегда стабилен, составляет +1. Далее можно указать степень окисления для отрицательного иона кислорода, она также стабильная, -2.
Лишь только после этих действий, можно вычислять степень окисления у центрального компонента формулы. В качестве конкретного образца рассмотрим определение степени окисления элементов в серной кислоте H2SO4. Учитывая, что в молекуле данного сложного вещества содержится два протона водорода, 4 атома кислорода, получаем выражение такого вида +2+X-8=0. Для того чтобы в сумме образовывался ноль, у серы будет степень окисления +6
Расстановка степеней окисления в солях
Соли представляют собой сложные соединения, состоящие из ионов металла и одного либо нескольких кислотных остатков. Методика определения степеней окисления у каждого из составных частей в сложной соли такая же, как и в кислородсодержащих кислотах. Учитывая, что степень окисления элементов - это цифровой показатель, важно правильно обозначить степень окисления металла.
Если металл, образующий соль, располагается в главной подгруппе, его степень окисления будет стабильной, соответствует номеру группы, является положительной величиной. Если же в соли содержится металл подобной подгруппы ПС, проявляющий разные металла можно по кислотному остатку. После того как установлена будет степень окисления металла, ставят (-2), далее вычисляют степень окисления центрального элемента, воспользовавшись химическим уравнением.
В качестве примера рассмотрим определение степеней окисления у элементов в (средней соли). NaNO3. Соль образована металлом главной подгруппы 1 группы, следовательно, степень окисления натрия будет +1. У кислорода в нитратах степень окисления составляет -2. Для определения численного значения степени окисления составляет уравнение +1+X-6=0. Решая данное уравнение, получаем, что X должен быть +5, это и есть
Основные термины в ОВР
Для окислительного, а также восстановительного процесса существуют специальные термины, которые обязаны выучить школьники.
Степень окисления атома это его непосредственная способность присоединять к себе (отдавать иным) электроны от каких-то ионов или же атомов.
Окислителем считают нейтральные атомы или заряженные ионы, в ходе химической реакции присоединяющие себе электроны.
Восстановителем станут незаряженные атомы или заряженные ионы, что в процессе химического взаимодействия теряют собственные электроны.
Окисление представляется как процедура отдачи электронов.
Восстановление связано с принятием дополнительных электронов незаряженным атомом или ионом.
Окислительно-восстановительны процессом характеризуется реакция, в ходе которой обязательно меняется степень окисления атома. Это определение позволяет понять, как можно определить, является ли реакция ОВР.
Правила разбора ОВР
Пользуясь данным алгоритмом, можно расставить коэффициенты в любой химической реакции.
Во многих школьных учебниках и пособиях учат составлять формулы по валентностям, даже для соединений с ионными связями. Для упрощения процедуры составления формул это, на наш взгляд, допустимо. Но нужно понимать, что это не совсем корректно ввиду вышеизложенной причины.
Более универсальным понятием является понятие о степени окисления. По значениям степеней окисления атомов так же как и по значениям валентности можно составлять химические формулы и записывать формульные единицы.
Степень окисления - это условный заряд атома в частице (молекуле, ионе, радикале), вычисленный в приближении того, что все связи в частице являются ионными.
Прежде чем определять степени окисления, необходимо сравнить электроотрицательности связуемых атомов. Атом с большим значением электроотрицательности имеет отрицательную степень окисления, а с меньшим положительную.
С целью объективного сравнения значений электроотрицательности атомов при расчёте степеней окисления, в 2013 году IUPAC дал рекомендацию использовать шкалу Аллена.
* Так, например, по шкале Аллена электроотрицательность азота 3,066, а хлора 2,869.
Проиллюстрируем данное выше определение на примерах. Составим структурную формулу молекулы воды.
Ковалентные полярные связи O-H обозначены синим цветом.
Представим, что обе связи являются не ковалентными, а ионными. Если бы они были ионными, то с каждого атома водорода на более электроотрицательный атом кислорода перешло бы по одному электрону. Обозначим эти переходы синими стрелками.
*В этом примере, стрелка служит для наглядной иллюстрации полного перехода электронов, а не для иллюстрации индуктивного эффекта.
Легко заметить, что число стрелок показывает количество перешедших электронов, а их направление - направление перехода электронов.
На атом кислорода направлено две стрелки, это значит, что к атому кислорода переходит два электрона: 0 + (-2) = -2. На атоме кислорода образуется заряд равный -2. Это и есть степень окисления кислорода в молекуле воды.
С каждого атома водорода уходит по одному электрону: 0 - (-1) = +1. Значит, атомы водорода имеют степень окисления равную +1.
Сумма степеней окисления всегда равняется общему заряду частицы.
Например, сумма степеней окисления в молекуле воды равна: +1(2) + (-2) = 0. Молекула - электронейтральная частица.
Если мы вычисляем степени окисления в ионе, то сумма степеней окисления, соответственно, равна его заряду.
Значение степени окисления принято указывать в верхнем правом углу от символа элемента. Причём, знак пишут впереди числа . Если знак стоит после числа - то это заряд иона.
Например, S -2 - атом серы в степени окисления -2, S 2- - анион серы с зарядом -2.
S +6 O -2 4 2- - значения степеней окисления атомов в сульфат-анионе (заряд иона выделен зелёным цветом).
Теперь рассмотрим случай, когда соединение имеет смешанные связи: Na 2 SO 4 . Связь между сульфат-анионом и катионами натрия - ионная, связи между атомом серы и атомами кислорода в сульфат-ионе - ковалентные полярные. Запишем графическую формулу сульфата натрия, а стрелками укажем направление перехода электронов.
*Структурная формула отображает порядок ковалентных связей в частице (молекуле, ионе, радикале). Структурные формулы применяют только для частиц с ковалентными связями. Для частиц с ионными связями понятие структурной формулы не имеет смысла. Если в частице имеются ионные связи, то применяют графическую формулу.
Видим, что от центрального атома серы уходит шесть электронов, значит степень окисления серы 0 - (-6) = +6.
Концевые атомы кислорода принимают по два электрона, значит их степени окисления 0 + (-2) = -2
Мостиковые атомы кислорода принимают по два электрона, их степень окисления равна -2.
Определить степени окисления возможно и по структурно-графической формуле, где черточками указывают ковалентные связи, а у ионов указывают заряд.
В этой формуле мостиковые атомы кислорода уже имеют единичные отрицательные заряды и к ним дополнительно приходит по электрону от атома серы -1 + (-1) = -2, значит их степени окисления равны -2.
Степень окисления ионов натрия равна их заряду, а т.е. +1.
Определим степени окисления элементов в надпероксиде (супероксиде) калия. Для этого составим графическую формулу супероксида калия, стрелочкой покажем перераспределение электронов. Связь O-O является ковалентной неполярной, поэтому в ней перераспределение электронов не указывается.
* Надпероксид-анион является ион-радикалом. Формальный заряд одного атома кислорода равен -1, а другого, с неспаренным электроном, 0.
Видим, что степень окисления калия равна +1. Степень окисления атома кислорода, записанного в формуле напротив калия, равна -1. Степень окисления второго атома кислорода равна 0.
Точно также можно определить степени окисления и по структурно-графической формуле.
В кружочках указаны формальные заряды иона калия и одного из атомов кислорода. При этом значения формальных зарядов совпадают со значениями степеней окисления.
Так как оба атома кислорода в надпероксид-анионе имеют разные значения степени окисления, то можно вычислить средне-арифметическую степень окисления кислорода.
Она будет равна / 2 = - 1/2 = -0,5.
Значения среднеарифметических степеней окисления обычно указывают в брутто-формулах или формульных единицах, чтобы показать что сумма степеней окисления равна общему заряду системы.
Для случая с надпероксидом: +1 + 2(-0,5) = 0
Легко определить степени окисления используя электронно-точечные формулы, в которых указывают точками неподеленные электронные пары и электроны ковалентных связей.
Кислород - элемент VIА - группы, следовательно в его атоме 6 валентных электронов. Представим, что в молекуле воды связи ионные, в этом случае атом кислорода получил бы октет электронов.
Степень окисления кислорода соответственно равна: 6 - 8 = -2.
А атомов водорода: 1 - 0 = +1
Умение определять степени окисления по графическим формулам бесценно для понимания сущности этого понятия, так же это умение потребуется в курсе органической химии. Если же мы имеем дело с неорганическими веществами, то необходимо уметь определять степени окисления по молекулярным формулам и формульным единицам.
Для этого прежде всего нужно понять, что степени окисления бывают постоянными и переменными. Элементы, проявляющие постоянную степень окисления необходимо запомнить.
Любой химический элемент характеризуется высшей и низшей степенями окисления.
Низшая степень окисления - это заряд, который приобретает атом в результате приёма максимального количества электронов на внешний электронный слой.
Ввиду этого, низшая степень окисления имеет отрицательное значение, за исключением металлов, атомы которых электроны никогда не принимают ввиду низких значений электроотрицательности. Металлы имеют низшую степень окисления равную 0.
Большинство неметаллов главных подгрупп старается заполнить свой внешний электронный слой до восьми электронов, после этого атом приобретает устойчивую конфигурацию (правило октета ). Поэтому, чтобы определить низшую степень окисления, необходимо понять сколько атому не хватает валентных электронов до октета.
Например, азот - элемент VА группы, это значит, что в атоме азота пять валентных электронов. До октета атому азота не хватает трёх электронов. Значит низшая степень окисления азота равна: 0 + (-3) = -3
