Степень окисления у всех элементов. Степень окисления

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.

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:

1. Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
   
2. Щелочные металлы, которые находятся в первой группе периодической таблицы, имеют степень окисления +1.
   
3. Щелочноземельные металлы, занимающие в периодической таблице вторую группу, имеют степень окисления +2.
   
4. Водород в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, а в соединениях с металлами +1.
   
5. Степень окисления молекулярного кислорода во всех соединениях, рассматриваемых в школьном курсе неорганической химии, равна -2. Фтора -1.
   
6. 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.
   
7. 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.

В химии термины «окисление» и «восстановление» означает реакции, при которых атом или группа атомов теряют или, соответственно, приобретают электроны. Степень окисления - это приписываемая одному либо нескольким атомам численная величина, характеризующая количество перераспределяемых электронов и показывающая, каким образом эти электроны распределяются между атомами при реакции. Определение этой величины может быть как простой, так и довольно сложной процедурой, в зависимости от атомов и состоящих из них молекул. Более того, атомы некоторых элементов могут обладать несколькими степенями окисления. К счастью, для определения степени окисления существуют несложные однозначные правила, для уверенного пользования которыми достаточно знания основ химии и алгебры.

Шаги

Часть 1

Определите, является ли рассматриваемое вещество элементарным. Степень окисления атомов вне химического соединения равна нулю. Это правило справедливо как для веществ, образованных из отдельных свободных атомов, так и для таких, которые состоят из двух, либо многоатомных молекул одного элемента.

• Например, Al (s) и Cl 2 имеют степень окисления 0, поскольку оба находятся в химически несвязанном элементарном состоянии.
• Обратите внимание, что аллотропная форма серы S 8 , или октасера, несмотря на свое нетипичное строение, также характеризуется нулевой степенью окисления.

1. Определите, состоит ли рассматриваемое вещество из ионов. Степень окисления ионов равняется их заряду. Это справедливо как для свободных ионов, так и для тех, которые входят в состав химических соединений.

   • Например, степень окисления иона Cl - равняется -1.
   • Степень окисления иона Cl в составе химического соединения NaCl также равна -1. Поскольку ион Na, по определению, имеет заряд +1, мы заключаем, что заряд иона Cl -1, и таким образом степень его окисления равна -1.

2. Учтите, что ионы металлов могут иметь несколько степеней окисления. Атомы многих металлических элементов могут ионизироваться на разные величины. Например, заряд ионов такого металла как железо (Fe) равняется +2, либо +3. Заряд ионов металла (и их степень окисления) можно определить по зарядам ионов других элементов, с которыми данный металл входит в состав химического соединения; в тексте этот заряд обозначается римскими цифрами: так, железо (III) имеет степень окисления +3.

   • В качестве примера рассмотрим соединение, содержащее ион алюминия. Общий заряд соединения AlCl 3 равен нулю. Поскольку нам известно, что ионы Cl - имеют заряд -1, и в соединении содержится 3 таких иона, для общей нейтральности рассматриваемого вещества ион Al должен иметь заряд +3. Таким образом, в данном случае степень окисления алюминия равна +3.

3. Степень окисления кислорода равна -2 (за некоторыми исключениями). Почти во всех случаях атомы кислорода имеют степень окисления -2. Есть несколько исключений из этого правила:

   • Если кислород находится в элементарном состоянии (O 2), его степень окисления равна 0, как и в случае других элементарных веществ.
   • Если кислород входит в состав перекиси , его степень окисления равна -1. Перекиси - это группа соединений, содержащих простую кислород-кислородную связь (то есть анион перекиси O 2 -2). К примеру, в составе молекулы H 2 O 2 (перекись водорода) кислород имеет заряд и степень окисления -1.
   • В соединении с фтором кислород обладает степенью окисления +2, читайте правило для фтора ниже.

4. Водород характеризуется степенью окисления +1, за некоторыми исключениями. Как и для кислорода, здесь также существуют исключения. Как правило, степень окисления водорода равна +1 (если он не находится в элементарном состоянии H 2). Однако в соединениях, называемых гидридами, степень окисления водорода составляет -1.

   • Например, в H 2 O степень окисления водорода равна +1, поскольку атом кислорода имеет заряд -2, и для общей нейтральности необходимы два заряда +1. Тем не менее, в составе гидрида натрия степень окисления водорода уже -1, так как ион Na несет заряд +1, и для общей электронейтральности заряд атома водорода (а тем самым и его степень окисления) должен равняться -1.

5. Фтор всегда имеет степень окисления -1. Как уже было отмечено, степень окисления некоторых элементов (ионы металлов, атомы кислорода в перекисях и так далее) может меняться в зависимости от ряда факторов. Степень окисления фтора, однако, неизменно составляет -1. Это объясняется тем, что данный элемент имеет наибольшую электроотрицательность - иначе говоря, атомы фтора наименее охотно расстаются с собственными электронами и наиболее активно притягивают чужие электроны. Таким образом, их заряд остается неизменным.

6. Сумма степеней окисления в соединении равна его заряду. Степени окисления всех атомов, входящих в химическое соединение, в сумме должны давать заряд этого соединения. Например, если соединение нейтрально, сумма степеней окисления всех его атомов должна равняться нулю; если соединение является многоатомным ионом с зарядом -1, сумма степеней окисления равна -1, и так далее.

   • Это хороший метод проверки - если сумма степеней окисления не равна общему заряду соединения, значит вы где-то ошиблись.

   Часть 2

   Определение степени окисления без использования законов химии

   1. Найдите атомы, не имеющие строгих правил относительно степени окисления. По отношению к некоторым элементам нет твердо установленных правил нахождения степени окисления. Если атом не подпадает ни под одно правило из перечисленных выше, и вы не знаете его заряда (например, атом входит в состав комплекса, и его заряд не указан), вы можете установить степень окисления такого атома методом исключения. Вначале определите заряд всех остальных атомов соединения, а затем из известного общего заряда соединения вычислите степень окисления данного атома.

      • Например, в соединении Na 2 SO 4 неизвестен заряд атома серы (S) - мы лишь знаем, что он не нулевой, поскольку сера находится не в элементарном состоянии. Это соединение служит хорошим примером для иллюстрации алгебраического метода определения степени окисления.

   2. Найдите степени окисления остальных элементов, входящих в соединение. С помощью описанных выше правил определите степени окисления остальных атомов соединения. Не забывайте об исключениях из правил в случае атомов O, H и так далее.

      • Для Na 2 SO 4 , пользуясь нашими правилами, мы находим, что заряд (а значит и степень окисления) иона Na равен +1, а для каждого из атомов кислорода он составляет -2.

   3. Найдите неизвестную степень окисления из заряда соединения. Теперь у вас есть все данные для простого расчета искомой степени окисления. Запишите уравнение, в левой части которого будет сумма числа, полученного на предыдущем шаге вычислений, и неизвестной степени окисления, а в правой - общий заряд соединения. Иными словами, (Сумма известных степеней окисления) + (искомая степень окисления) = (заряд соединения).

      • В нашем случае Na 2 SO 4 решение выглядит следующим образом:
        • (Сумма известных степеней окисления) + (искомая степень окисления) = (заряд соединения)
        • -6 + S = 0
        • S = 0 + 6
        • S = 6. В Na 2 SO 4 сера имеет степень окисления 6 .
   • В соединениях сумма всех степеней окисления должна равняться заряду. Например, если соединение представляет собой двухатомный ион, сумма степеней окисления атомов должна быть равна общему ионному заряду.
   • Очень полезно уметь пользоваться периодической таблицей Менделеева и знать, где в ней располагаются металлические и неметаллические элементы.
   • Степень окисления атомов в элементарном виде всегда равна нулю. Степень окисления единичного иона равна его заряду. Элементы группы 1A таблицы Менделеева, такие как водород, литий, натрий, в элементарном виде имеют степень окисления +1; степень окисления металлов группы 2A, таких как магний и кальций, в элементарном виде равна +2. Кислород и водород, в зависимости от вида химической связи, могут иметь 2 различных значения степени окисления.

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.

Прежде чем изучать степени окисления, вспомним основные правила из курса химии и физики:

• все вещества образуются из молекул, а молекулы - из атомов;
• любой атом электронейтрален, т.е. имеет суммарный заряд, равный нулю;
• нулевой заряд атома обуславливается одинаковым числом положительно и отрицательно заряженных в нем частиц;
• отрицательно заряженные частицы внутри атома - «электроны» - перемещаются вокруг ядра атома (заряд одного электрона равен «–1»);
• суммарный отрицательный заряд всех электронов атома равен их количеству;
• положительные частицы атома носят название «протоны» и расположены внутри его ядра, причем заряд одного протона равен «+1»;
• суммарный положительный заряд ядра равен общему количеству , находящихся в нем;
• точное число протонов и электронов в атоме любого химического элемента можно узнать, посмотрев его номер в периодической системе:

№ элемента = число протонов в атоме = число электронов в атоме.

Рассмотрим все вышеизложенное на примерах кислорода (О), водорода (Н), кальция (Са) и алюминия (Аl).

В периодической системе имеет порядковый номер «8», а значит, в его ядре есть восемь протонов, а вокруг ядра движутся восемь электронов.

Таким образом, заряд ядра его атома равен «+8», а суммарный заряд электронов, движущихся вокруг его ядра, составляет «-8». Общий же заряд атома для химического элемента определяется сложением всех положительных и отрицательных зарядов внутри его атома:

Занимает первое место в периодической системе, а следовательно, в его ядре один протон, а вокруг ядра движется один электрон:

Находится на двадцатом месте периодической системы. Значит, в его атоме имеется по двадцать протонов и электронов, суммарные заряды которых - «+20» и «-20» соответственно:

Что касается , то его расположение в периодической системе (порядковый номер - 13) говорит о тринадцати протонах и тринадцати электронах:

Немного о степени окисления

Как известно, в земной коре химические элементы находятся не только в свободном состоянии. Их атомы также вступают в химические взаимодействия с образованием сложных веществ. Это легко проиллюстрировать на примере образования оксидов.

Так, кислород (О) может взаимодействовать с водородом (Н). При этом водород отдает кислороду в полное распоряжение свой единственный электрон. После этого в атоме водорода больше не остается свободных электронов, а, следовательно, положительный заряд ядра атома (равен «+1») нейтрализовать становится нечем, и весь атом водорода приобретает заряд «+1». Таким образом, электронейтральный атом водорода превращается в положительно заряженную частицу - протон:

(+1) + (-1) - (-1)= (+1).

Атом же кислорода, который в свободном состоянии тоже имеет нулевой заряд, может одновременно присоединить к себе два электрона. Это значит, что он вступает в реакцию одновременно с двумя атомами водорода, каждый из которых отдает ему свой единственный электрон.

Таким образом, кислород, имевший до реакции с водородом по восемь протонов и электронов, в ходе этого химического взаимодействия приобретает еще два электрона. А значит, суммарный его заряд становится равен:

(+8)+(-8)+(-2)=(-2).

Данный пример иллюстрирует реакцию, в результате которой атом одного химического элемента отдал свои электроны атому другого химического элемента. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.

Считается, что атом, отдавший электроны, окислился , а атом, который их присоединил, - восстановился . В данном случае окислился водород, а восстановился кислород. Заряд, который получили в результате реакции оба атома, записывается в правом верхнем углу над символами их химических элементов.

Следует также учитывать, что кислород и водород являются газами, а значит, в их молекулах имеется по два одинаковых атома. Следовательно, полная реакция взаимодействия кислорода с водородом выглядит так:

2Н₂⁰ + О₂⁰ → 2Н₂⁺¹О⁻²

В данном случае речь идет об образовании соединений типа X₂O, в которых для получения молекулы сложного вещества к одному атому кислорода присоединяются два одинаковых атома другого элемента. Степень окисления «+1» характерна для элементов первой группы периодической системы, относящихся к главной подгруппе.

Степень окисления в XO

Во второй группе периодической системы (а именно в главной ее подгруппе) расположены химические элементы, каждый атом которых может отдать кислороду уже по два электрона. Такой атом в ходе окислительно-восстановительной реакции приобретет заряд «+2», а кислород, как всегда, получит заряд «–2». Например, реакция окисления кальция:

2Са⁰ + О₂⁰→2Са⁺²О⁻².

Цинк (Zn), расположенный в побочной подгруппе второй группы, проявляет такую же степень окисления, как у кальция, а именно ХО:

2Zn⁰ + О₂⁰→2Zn⁺²О⁻²

Степень окисления в X₂O₃

Особенностью элементов главной подгруппы третьей группы периодической системы является то, что каждый их атом с легкостью может отдать атому кислорода уже три электрона. Однако один атом кислорода может принять только два электрона.

Следовательно, вот как будет выглядеть соотношение атомов в молекуле оксидов для элементов третьей группы на примере оксида алюминия:

• если один атом алюминия может отдать три электрона, то два атома алюминия отдадут уже шесть электронов (каждый по три);
• один атом кислорода может принять только два электрона, но, поскольку два атома алюминия отдают шесть электронов, то принять их полностью смогут уже три атома кислорода;
• следует помнить, что молекула кислорода двухатомна, а значит, каждый из атомов кислорода примет по два электрона от атомов алюминия:

4Al⁰ + 3O₂⁰ → 2Al₂⁺³O₃⁻²

Таким образом, в данной химической реакции примут участие четыре атома алюминия, которые отдадут двенадцать электронов шести атомам (или трем молекулам) кислорода. В результате реакции каждому атому алюминия будет не хватать до нулевого заряда по три электрона, а значит, положительный заряд ядра станет преобладать над отрицательным зарядом электронов:

13 (заряд ядра атома Al не изменился) -10 (оставшихся после реакции электронов)= (+3).

Степень окисления в XO₂

Данную степень окисления проявляют химические элементы, расположенные в главной подгруппе четвертой группы периодической системы. Каждый их атом может отдать одновременно четыре электрона, а поскольку молекула кислорода двухатомна, то каждый из атомов кислорода примет как раз по два электрона.

Рассмотрим подобную окислительно-восстановительную реакцию на примере взаимодействия кислорода с углеродом:

С⁰ + О₂⁰ → С⁺⁴О₂⁻²

Эта реакция иллюстрирует горение твердого вещества (угля) в присутствии газа (кислорода). Поэтому молекула кислорода двухатомна, а молекула углерода - одноатомна. Нажмите , чтобы узнать, как протекает окисление различных металлов.

Степени окисления в X₂O₅ и XO₃

Для некоторых элементов главной подгруппы пятой группы характерно проявление степени окисления (+5), то есть они могут отдать атому кислорода сразу пять электронов. Например, реакция горения фосфора в присутствии кислорода:

4Р⁰ + 5О₂⁰ → 2Р₂⁺⁵О₅⁻².

Некоторые элементы шестой группы могут отдавать сразу шесть электронов, после чего их степень окисления станет равной (+6). Например, реакция взаимодействия серы с кислородом:

2S⁰ + 3O₂⁰ → 2S⁺⁶O₃⁻²

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!