Отрицательную степень окисления. Высшая степень окисления

Степень окисления - условная величина, использующаяся для записи окислительно-восстановительных реакций. Для определения степени окисления используется таблица окисления химических элементов.

Значение

Степень окисления основных химических элементов основана на их электроотрицательности. Значение равно числу смещённых в соединениях электронов.

Степень окисления считается положительной, если электроны смещаются от атома, т.е. элемент отдаёт электроны в соединении и является восстановителем. К таким элементам относятся металлы, их степень окисления всегда положительная.

При смещении электрона к атому значение считается отрицательным, а элемент - окислителем. Атом принимает электроны до завершения внешнего энергетического уровня. Окислителями является большинство неметаллов.

Простые вещества, не вступающие в реакцию, всегда имеют нулевую степень окисления.

Рис. 1. Таблица степеней окисления.

В соединении положительную степень окисления имеет атом неметалла с меньшей электроотрицательностью.

Определение

Определить максимальную и минимальную степень окисления (сколько электронов может отдавать и принимать атом) можно по периодической таблице Менделеева.

Максимальная степень равна номеру группы, в которой находится элемент, или количеству валентных электронов. Минимальное значение определяется по формуле:

№ (группы) – 8.

Рис. 2. Таблица Менделеева.

Углерод находится в четвёртой группе, следовательно, его высшая степень окисления +4, а низшая - -4. Максимальная степень окисления серы +6, минимальная - -2. Большинство неметаллов всегда имеет переменную - положительную и отрицательную - степень окисления. Исключением является фтор. Его степень окисления всегда равна -1.

Следует помнить, что к щелочным и щелочноземельным металлам I и II групп соответственно, это правило не применимо. Эти металлы имеют постоянную положительную степень окисления - литий Li +1 , натрий Na +1 , калий K +1 , бериллий Be +2 , магний Mg +2 , кальций Ca +2 , стронций Sr +2 , барий Ba +2 . Остальные металлы могут проявлять разную степень окисления. Исключением является алюминий. Несмотря на нахождение в III группе, его степень окисления всегда +3.

Рис. 3. Щелочные и щелочноземельные металлы.

Из VIII группы высшую степень окисления +8 могут проявлять только рутений и осмий. Находящиеся в I группе золото и медь проявляют степень окисления +3 и +2 соответственно.

Запись

Чтобы правильно записывать степень окисления, следует помнить о нескольких правилах:

инертные газы не вступают в реакции, поэтому их степень окисления всегда равна нулю;
в соединениях переменная степень окисления зависит от переменной валентности и взаимодействия с другими элементами;
водород в соединениях с металлами проявляет отрицательную степень окисления - Ca +2 H 2 −1 , Na +1 H −1 ;
кислород всегда имеет степень окисления -2, кроме фторида кислорода и пероксида - O +2 F 2 −1 , H 2 +1 O 2 −1 .

Что мы узнали?

Степень окисления - условная величина, показывающая, сколько электронов принял или отдал атом элемента в соединении. Величина зависит от количества валентных электронов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления, т.е. являются восстановителями. Для щелочных и щелочноземельных металлов степень окисления всегда одинаковая. Неметаллы, кроме фтора, могут принимать положительную и отрицательную степень окисления.

Как определить степень окисления? Таблица Менделеева позволяет записывать данную количественную величину для любого химического элемента.

Определение

Для начала попробуем понять, что представляет собой данный термин. Степень окисления по таблице Менделеева представляет собой количество электронов, которые приняты либо отданы элементом в процессе химического взаимодействия. Она может принимать отрицательное и положительное значение.

Связь с таблицей

Как определяется степень окисления? Таблица Менделеева состоит из восьми групп, расположенных вертикально. В каждой из них есть две подгруппы: главная и побочная. Для того чтобы установить показатели для элементов, необходимо использовать определенные правила.

Инструкция

Как рассчитать степени окисления элементов? Таблица позволяет в полной мере справиться с подобной проблемой. Щелочные металлы, которые располагаются в первой группе (главной подгруппе), степень окисления проявляют в соединениях, она соответствует +, равна их высшей валентности. У металлов второй группы (подгруппы А) +2 степень окисления.

Таблица позволяет определить данную величину не только у элементов, проявляющих металлические свойства, но и у неметаллов. Их максимальная величина будет соответствовать высшей валентности. Например, для серы она составит +6, для азота +5. Как вычисляется у них минимальная (низшая) цифра? Таблица отвечает и на этот вопрос. Необходимо вычесть номер группы из восьми. Например, у кислорода она составит -2, у азота -3.

Для простых веществ, которые не вступали в химическое взаимодействие с другими веществами, определяемый показатель считается равным нулю.

Попробуем выявить основные действия, касающиеся расстановки в бинарных соединениях. Как поставить в них степень окисления? Таблица Менделеева помогает решить проблему.

Для примера возьмем оксид кальция СаО. Для кальция, расположенного в главной подгруппе второй группы, величина будет являться постоянной, равной +2. У кислорода, имеющего неметаллические свойства, данный показатель будет являться отрицательной величиной, и он соответствует -2. Для того чтобы проверить правильность определения, суммируем полученные цифры. В итоге мы получим ноль, следовательно, вычисления верны.

Определим подобные показатели еще в одном бинарном соединении CuO. Так как медь располагается в побочной подгруппе (первой группе), следовательно, изучаемый показатель может проявлять разные значения. Поэтому для его определения необходимо сначала выявить показатель для кислорода.

У неметалла, располагающегося в конце бинарной формулы, степень окисления имеет отрицательное значение. Так как этот элемент располагается в шестой группе, при вычитании из восьми шести получаем, что степень окисления у кислорода соответствует -2. Так как в соединении отсутствуют индексы, следовательно, показатель степени окисления у меди будет положительным, равным +2.

Как еще используется химическая таблица? Степени окисления элементов в формулах, состоящих из трех элементов, также вычисляются по определенному алгоритму. Сначала расставляют эти показатели у первого и последнего элемента. Для первого этот показатель будет иметь положительное значение, соответствовать валентности. У крайнего элемента, в качестве которого выступает неметалл, данный показатель имеет отрицательное значение, он определяется в виде разности (от восьми отнимают номер группы). При вычислении степени окисления у центрального элемента используют математическое уравнение. При расчетах учитывают индексы, имеющиеся у каждого элемента. Сумма всех степеней окисления должна быть равна нулю.

Пример определения в серной кислоте

Формула данного соединения имеет вид H 2 SO 4 . У водорода степень окисления составит +1, у кислорода она равна -2. Для определения степени окисления у серы, составим математическое уравнение: + 1 * 2 + Х + 4 * (-2) = 0. Получаем, что степень окисления у серы соответствует +6.

Заключение

При использовании правил можно расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях. Данный вопрос рассматривается в курсе химии девятого класса школьной программы. Кроме того, информация о степенях окисления позволяет выполнять задания ОГЭ и ЕГЭ.

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

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.

Для характеристики окислительно-восстановительной способности частиц важное значение имеет такое понятие, как степень окисления. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – это заряд, который мог бы возникнуть у атома в молекуле или ионе, если бы все его связи с другими атомами оказались разорваны, а общие электронные пары ушли с более электроотрицательными элементами.

В отличие от реально существующих зарядов у ионов, степень окисления показывает лишь условный заряд атома в молекуле. Она может быть отрицательной, положительной и нулевой. Например, степень окисления атомов в простых веществах равна «0» (,
,,). В химических соединениях атомы могут иметь постоянную степень окисления или переменную. У металлов главных подгруппI, II и III групп Периодической системы в химических соединениях степень окисления, как правило, постоянна и равна соответственно Ме +1 , Ме +2 и Ме +3 (Li + , Ca +2 , Al +3). У атома фтора всегда -1. У хлора в соединениях с металлами всегда -1. В подавляющем числе соединений кислород имеет степень окисления -2 (кроме пероксидов, где его степень окисления -1), а водород +1(кроме гидридов металлов, где его степень окисления -1).

Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю, а в ионе – заряду иона. Эта взаимосвязь позволяет рассчитывать степени окисления атомов в сложных соединениях.

В молекуле серной кислоты H 2 SO 4 атом водорода имеет степень окисления +1, а атом кислорода -2. Так как атомов водорода два, а атомов кислорода четыре, то мы имеем два «+» и восемь «-». До нейтральности не хватает шесть «+». Именно это число и является степенью окисления серы -
. Молекула дихромата калияK 2 Cr 2 O 7 состоит из двух атомов калия, двух атомов хрома и семи атомов кислорода. У калия степень окисления всегда +1, у кислорода -2. Значит, мы имеем два «+» и четырнадцать «-». Оставшиеся двенадцать «+» приходятся на два атома хрома, у каждого из которых степень окисления равна +6 (
).

Типичные окислители и восстановители

Из определения процессов восстановления и окисления следует, что, в принципе, в роли окислителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в низшей степени окисления и поэтому могут понижать свою степень окисления. Аналогично в роли восстановителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в высшей степени окисления и поэтому могут повышать свою степень окисления.

К наиболее сильным окислителям относятся:

1) простые вещества, образуемые атомами, имеющими большую электроотрицательность, т.е. типичные неметаллы, расположенные в главных подгруппах шестой и седьмой групп периодической системы: F, O, Cl, S (соответственно F 2 , O 2 , Cl 2 , S);

2) вещества, содержащие элементы в высших и промежуточных

положительных степенях окисления, в том числе в виде ионов, как простых, элементарных (Fe 3+), так и кислородосодержащих, оксоанионов (перманганат-ион - MnO 4 -);

3) перекисные соединения.

Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве окислителей, являются кислород и озон, хлор, бром, перманганаты, дихроматы, кислородные кислоты хлора и их соли (например,
,
,
), азотная кислота (
), концентрированная серная кислота (
), диоксид марганца (
), пероксид водорода и пероксиды металлов (
,
).

К наиболее сильным восстановителям относятся:

1)простые вещества, атомы которых имеют низкую электроотрицательность («активные металлы»);

2) катионы металлов в низжих степенях окисления (Fe 2+);

3) простые элементарные анионы, например, сульфид-ион S 2- ;

4) кислородосодержащие анионы (оксоанионы), соответствующие низшим положительным степеням окисления элемента (нитрит
, сульфит
).

Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве восстановителей, являются, например, щелочные и щелочноземельные металлы, сульфиды, сульфиты, галогенводороды (кроме HF), органические вещества – спирты, альдегиды, формальдегид, глюкоза, щавелевая кислота, а также водород, углерод, моноксид углерода (
) и алюминий при высоких температурах.

В принципе, если в состав вещества входит элемент в промежуточной степени окисления, то эти вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Все зависит от

«партнера» по реакции: с достаточно сильным окислителем оно может реагировать как восстановитель, а с достаточно сильным восстановителем – как окислитель. Так, например, нитрит-ион NO 2 - в кислой среде выступает в роли окислителя по отношению к иону I - :

2
+ 2+ 4HCl→ + 2
+ 4KCl + 2H 2 O