Как определить степень окисления. Степени окисления химических элементов Степень окисления равную 4

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. 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.
   4. Очень полезно уметь пользоваться периодической таблицей Менделеева и знать, где в ней располагаются металлические и неметаллические элементы.
   5. 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.

При определении этого понятия условно полагают, что связующие (валентные) электроны переходят к более электроотрицательным атомам (см. Электроотрицательность), а потому соединения состоят как бы из положительно и отрицательно заряженных ионов . Степень окисления может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху.

Нулевое значение степени окисления приписывается атомам элементов, находящихся в свободном состоянии, например: Cu, H 2 , N 2 , P 4 , S 6 . Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, в сторону которых смещается связующее электронное облако (электронная пара). У фтора во всех его соединениях она равна −1. Положительную степень окисления имеют атомы, отдающие валентные электроны другим атомам. Например, у щелочных и щелочноземельных металлов она соответственно равна +1 и +2. В простых ионах , подобных Cl − , S 2− , K + , Cu 2+ , Al 3+ , она равна заряду иона . В большинстве соединений степень окисления атомов водорода равна +1, но в гидридах металлов (соединениях их с водородом) - NaH, CaH 2 и других - она равна −1. Для кислорода характерна степень окисления −2, но, к примеру, в соединении с фтором OF 2 она будет +2, а в перекисных соединениях (BaO 2 и др.) −1. В некоторых случаях эта величина может быть выражена и дробным числом: для железа в оксиде железа (II, III) Fe 3 O 4 она равна +8/3.

Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в соединении равна нулю, а в сложном ионе - заряду иона. С помощью этого правила вычислим, например, степень окисления фосфора в ортофосфорной кислоте H 3 PO 4 . Обозначив ее через x и умножив степень окисления для водорода (+1) и кислорода (−2) на число их атомов в соединении, получим уравнение: (+1) 3+x+(−2) 4=0, откуда x=+5. Аналогично вычисляем степень окисления хрома в ионе Cr 2 O 7 2− : 2x+(−2) 7=−2; x=+6. В соединениях MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , K 2 MnO 4 , KMnO 4 степень окисления марганца будет соответственно +2, +3, +4, +8/3, +6, +7.

Высшая степень окисления - это наибольшее положительное ее значение. Для большинства элементов она равна номеру группы в периодической системе и является важной количественной характеристикой элемента в его соединениях. Наименьшее значение степени окисления элемента, которое встречается в его соединениях, принято называть низшей степенью окисления; все остальные - промежуточными. Так, для серы высшая степень окисления равна +6, низшая −2, промежуточная +4.

Изменение степеней окисления элементов по группам периодической системы отражает периодичность изменения их химических свойств с ростом порядкового номера.

Понятие степени окисления элементов используется при классификации веществ, описании их свойств, составлении формул соединений и их международных названий. Но особенно широко оно применяется при изучении окислительно-восстановительных реакций . Понятие «степень окисления» часто используют в неорганической химии вместо понятия «валентность» (см.

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.

Задание 54.
Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?
Решение:
Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой электронной оболочки инертного газа ns2np6 (в случае с водородом ns 2). Водород, фтор, сера и азот находятся соответственно в IА-, VIIА-, VIА- и VА- группах периодической системы химических элементов и имеют структуру внешнего энергетического уровня s 1 , s 2 p 5 , s 2 p 4 и s 2 p 3 .

Таким образом, для завершения внешнего энергетического уровня, атому водорода и атому фтора необходимо присоединить по одному электрону, атому серы – два, атому азота – три. Отсюда низкая степень окисления для водорода, фтора, серы и азота равна соответственно -1, -1, -2 и -3. Формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления:

CaH 2 – гидрид кальция;
CaF 2 – фторид кальция;
CaS – сульфид кальция;
Ca 3 N 2 – нитрид кальция.

Задание 55.
Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение:
Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы
Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа ns 2 np 6 (в случае с водородом ns 2). Кремний, мышьяк, селен и хлор находятся соответственно в IVА-, VА-, VIа- и VIIА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня соответственно s 2 p 2 , s 2 p 3 , s 2 p 4 и s 2 p5. Таким образом, высшая степень окисления кремния мышьяка, селена и хлора равна соответственно +4, +5, +6 и +7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: H 2 SiO 3 – кремневая кислота; Н 3 AsO 4 – мышьяковая кислота; H 2 SeO 4 – селеновая кислота; HClO 4 – хлорная кислота.

Низшая степень окисления кремния мышьяка, селена и хлора равна соответственно -4, -5, -6 и -7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: H 4 Si, H 3 As, H 2 Se, HCl.

Задание 56.
Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).
Решение:
Хром образует соединения, в которых проявляет степени окисления +2, +3, +6. Формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления:

а) оксиды хрома:

CrO – оксид хрома (II);
Cr 2 O 3 – оксид хрома (III);
CrO 3 - оксид хрома (VI).

б) гидроксиды хрома:

Cr(OH) 2 – гидроксид хрома (II);
Cr(OH) 3 – гидроксид хрома (III);
H 2 CrO 4 – хромовая кислота.

Cr(OH) 3 – гидроксид хрома (III) – амфолит, т. е. вещество, которое реагирует как с кислотами, так и с основаниями. Уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III):

а) Cr(OH) 3 + 3HCl = CrCl 3 + 3H 2 O;
б) Cr(OH) 3 + 3NaOH = NaCrO 3 + 3H 2 O.

Задание 57.
Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда, как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ.
Решение:
В большинстве случаев с возрастанием заряда ядра атомов элементов закономерно увеличиваются их относительные атомные массы, потому что происходит закономерное увеличение содержания протонов и нейтронов в ядрах атомов. Свойства простых тел изменяются периодически, потому что на наружном энергетическом уровне у атомов периодически изменяется количество электронов. У атомов элементов периодически с возрастанием заряда ядра возрастает число электронов на внешнем энергетическом уровне, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (оболочки инертного газа). Например, периодическая повторяемость свойств у атомов Li, Na и K объясняется тем, что на наружном энергетическом уровне их атомов имеется по одному валентному электрону. Также периодически повторяются свойства у атомов Не, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn – у атомов этих элементов на наружном энергетическом уровне содержится по восемь электронов (у гелия – два электрона) – все они являются химически инертными, так как их атомы не могут ни присоединять, ни отдавать электроны атомам других элементов.

Задание 58.
Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, по-чему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, иодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?
Решение:
Современная формулировка периодического закона: «Свойства химических элементов и образуемых ими простых или сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов элементов».

Так как у атомов К, Ni, I, Pa - обладающих меньшей относительной массой, чем соответственно у Ar, Co, Te, Th – заряды атомных ядер на единицу больше

то калию, никелю, йоду и протактинию присваивается порядковые номера соответственно 19, 28, 53 и 91.Таким образом элементу в периодической системе присваивается порядковый номер не по возрастанию его атомной массы, а по количеству протонов, содержащихся в ядре данного атома, т. е. по заряду ядра атома. Номер элемента указывает заряд ядра (количество протонов, содержащихся в ядре атома), общее число электронов, содержащихся в данном атоме.

Задание 59.
Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение:
Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа ns2np6 (в случае с водородом ns2). Углерод, фосфор, сера и йод находятся соответственно в IVА-, VА-, VIа- и VIIА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня соответственно s 2 p 2 , s 2 p 3 , s 2 p 4 и s 2 p 5 . Таким образом, высшая степень окисления углерода, фосфора, серы и йода равна соответственно +4, +5, +6 и +7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: СО 2 – оксид углерода (II); Н 3 РO 4 – ортофосфорная кислота; H 2 SO 4 – серная кислота; HIO 4 – йодная кислота.

Низшая степень окисления углерода, фосфора, серы и йода равна соответственно -4, -5, -6 и -7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: СH 4 , H 3 Р, H 2 S, HI.

Задание 60.
Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э 2 О 5 ? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам и изобразите их графически?
Решение:
Оксид Э 2 О 5 , где элемент находится в своей высшей степени окисления +5, характерен для элементов V группы. Такой оксид могут образовывать два элемента четвёртого периода и V- группы – это элемент №23 (ванадий) и №33 (мышьяк). Ванадий и мышьяк, как элементы пятой группы, образуют водородные соединения состава ЭН 3 , потому что они могут проявлять низшую степень окисления -3. Так как мышьяк – неметалл, то он образует с водородом газообразное соединение – H 3 As – арсин.

Формулы кислот, отвечающих оксидам в высшей степени окисления ванадия и мышьяка:

H 3 VO 4 – ортованадиевая кислота;
HVO 3 – метаванадиевая кислота;
HAsO 3 – метамышьяковая кислота;
H 3 AsO 4 – мышьяковая (ортомышьяковая) кислота.

Графические формулы кислот: