В каком из соединений степень окисления атома. Как определить степень окисления атома химического элемента

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .

Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.

Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (N 2 , H 2 , Cl 2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Высшая степень окисления

Для элементов, проявляющих в своих соединениях различные степени окисления, существуют понятия высшей (максимальной положительной) и низшей (минимальной отрицательной) степеней окисления. Высшая степень окисления химического элемента обычно численно совпадает с номером группы в Периодической системе Д. И. Менделеева. Исключения составляют фтор (степень окисления равна -1, а элемент расположен в VIIA группе), кислород (степень окисления равна +2, а элемент расположен в VIA группе), гелий, неон, аргон (степень окисления равна 0, а элементы расположены в VIII группе), а также элементы подгруппы кобальта и никеля (степень окисления равна +2, а элементы расположены в VIII группе), для которых высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе (максимальная положительная степень окисления меди и серебра равна +2, золота +3).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Ответ Будем поочередно определять степень окисления серы в каждой из предложенных схем превращений, а затем выберем верный вариант ответа.

В сероводороде степень окисления серы равна (-2), а в простом веществе - сере - 0:

Изменение степени окисления серы: -2 → 0, т.е. шестой вариант ответа.

В простом веществе - сере — степень окисления серы равна 0, а в SO 3 - (+6):

Изменение степени окисления серы: 0 → +6, т.е. четвертый вариант ответа.

В сернистой кислоте степень окисления серы равна (+4), а в простом веществе - сере - 0:

1×2 +x+ 3×(-2) =0;

Изменение степени окисления серы: +4 → 0, т.е. третий вариант ответа.

ПРИМЕР 2

Задание

Валентность III и степень окисления (-3) азот проявляет в соединении: а) N 2 H 4 ; б) NH 3 ; в) NH 4 Cl; г) N 2 O 5

Решение

Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять валентность и степень окисления азота в предложенных соединениях.

а) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 4-м (1×4 = 4). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 4/2 = 2, следовательно, валентность азота равна II. Этот вариант ответа неверный.

б) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 3-м (1×3 = 3). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 3/1 = 2, следовательно, валентность азота равна III. Степень окисления азота в аммиаке равна (-3):

Это верный ответ.

Ответ

Вариант (б)

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, В

1. 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

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:

Нулевая степень. Выше было упомянуто - её имеют исключительно простые вещества: S, O2, Al, K и так далее.
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.
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.
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).
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:

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.
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"

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.

Данный список степеней окисления показывает все известные степени окисления химических элементов периодической таблицы Менделеева. Список основан на таблице Гринвуда со всеми дополнениями. В строках, которые выделены цветом, вписаны инертные газы степень окисления которых равна нулю.

−1

-3

−1

−4

−3

−2

−1

−3

−2

−1

−2

−1

−4

−3

−2

−1

−3

−2

−1

−2

−1

−2

−1

−3

−2

−1

−2

−1

−4

−3

−2

−1

−2

−1

−3

−1

−2

−1

−4

−3

−2

−1

−2

−1

−3

−1

−2

−1

−3

−1

−4

−3

−2

−1

100

101

102

103

104

105

106

107

108

Высшая степень окисления элемента 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.

Степени окисления металлов в соединениях

Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные, если же говорить о неметаллах, то их степень окисления зависит от того, с каким атомом он соединён элемент:

если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов;
если с атомом металла, то степень окисления отрицательная.

Отрицательная степень окисления неметаллов

Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный химический элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.

Обратите внимание, что степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.

Источники:

Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements - 2-е изд. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997
Green Stable Magnesium(I) Compounds with Mg-Mg Bonds / Jones C.; Stasch A.. - Журнал Science, 2007. - Декабрь (вып. 318 (№ 5857)
Журнал Science, 1970. - Вып. 3929. - № 168. - С. 362.
Журнал Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1975. - С. 760b-761.
Irving Langmuir The arrangement of electrons in atoms and molecules. - Журнал J. Am. Chem. Soc., 1919. - Вып. 41.

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.