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"
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.
Часть I
1. Степень окисления (с. о.) - это условный заряд атомов химического элемента в сложном веществе, вычисленный на основе предположения, что оно состоит из простых ионов.
Следует знать!
1) В соединениях с. о. водорода = +1, кроме гидридов .
2) В соединениях с. о. кислорода = -2, кроме пероксидов 
и фторидов
3) Степень окисления металлов всегда положительна.
Для металлов главных подгрупп первых трёх групп с. о. постоянна:
металлы IA группы - с. о. = +1,
металлы IIA группы - с. о. = +2,
металлы IIIA группы - с. о. = +3.
4) У свободных атомов и простых веществ с. о. = 0.
5) Суммарная с. о. всех элементов в соединении = 0.
2. Способ образования названий двухэлементных (бинарных) соединений.
4. Дополните таблицу «Названия и формулы бинарных соединений».
5. Определите степень окисления выделенного шрифтом элемента сложного соединения.
Часть II
1. Определите степени окисления химических элементов в соединениях по их формулам. Запишите названия этих веществ.
2. Разделите вещества FeO, Fe2O3, CaCl2, AlBr3, CuO, K2O, BaCl2, SO3 на две группы. Запишите названия веществ, указав степени окисления.
3. Установите соответствие между названием и степенью окисления атома химического элемента и формулой соединения.
4. Составьте формулы веществ по названию.
5. Сколько молекул содержится в 48 г оксида серы (IV)?
6. С помощью Интернета и других источников информации подготовьте сообщение о применении какого-либо бинарного соединения по следующему плану:
1) формула;
2) название;
3) свойства;
4) применение.
H2O вода, оксид водорода.
Вода при обычных условиях жидкость, без цвета, запаха, в толстом слое – голубая. Температура кипения около 100⁰С. Является хорошим растворителем. Состоит молекула воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода, это его качественный и количественный состав. Это сложное вещество, для него характерны следующие химические свойства: взаимодействие со щелочными металлами, щелочноземельными металлами. Реакции обмена с водой называются гидролизом. Эти реакции имеют большое значение в химии.
7. Степень окисления марганца в соединении К2МnO4 равна:
3) +6
8. Наименьшую степень окисления хром имеет в соединении, формула которого:
1) Сг2O3
9. Максимальную степень окисления хлор проявляет в соединении, формула которого:
3) Сl2O7
В школе химия до сих пор занимает место одного из самых сложных предметов, который, ввиду того, что скрывает множество затруднений, вызывает у учеников (обычно это в период с 8 по 9 классы) больше ненависти и безразличия к изучению, чем интереса. Всё это снижает качество и количество знаний по предмету, хотя во многих сферах по сей день требуются специалисты в этой области. Да, сложных моментов и непонятных правил в химии иногда даже больше, чем кажется. Один из вопросов, которые волнуют большинство учеников, это что такое степень окисления и как определять степени окисления элементов.
Важное правило – правило расстановки, алгоритмы
Здесь много говорится о таких соединениях, как оксиды. Для начала, любой ученик должен выучить определение оксидов - это сложные соединения из двух элементов, в их составе находится кислород. К классу бинарных соединений оксиды относят по той причине, что в алгоритме кислород стоит вторым по очереди. При определении показателя важно знать правила расстановки и рассчитать алгоритм.
Алгоритмы для кислотных оксидов
Степени окисления - это численные выражения валентности элементов. К примеру, кислотные оксиды образованы по определённому алгоритму: сначала идут неметаллы или металлы (их валентность обычно от 4 до 7), а после идёт кислород, как и должно быть, вторым по порядку, его валентность равняется двум. Определяется она легко - по периодической таблице химических элементов Менделеева. Также важно знать то, что степень окисления элементов - это показатель, который предполагает либо положительное, либо отрицательное число .
В начале алгоритма, как правило, неметалл, и его степень окисления - положительная. Неметалл кислород в оксидных соединениях имеет стабильное значение, которое равняется -2. Чтобы определить верность расстановки всех значений, нужно умножить все имеющиеся цифры на индексы у одного конкретного элемента, если произведение с учётом всех минусов и плюсов равняется 0, то расстановка достоверна.
Расстановка в кислотах, содержащих кислород
Кислоты являются сложными веществами
, они связаны с каким-либо кислотным остатком и содержат в себе один или несколько атомов водорода. Здесь, для вычисления степени, требуются навыки в математике, так как показатели, необходимые для вычисления, цифровые. У водорода или протона он всегда одинаков – +1. У отрицательного иона кислорода отрицательная степень окисления -2.
После проведения всех этих действий можно определить степень окисления и центрального элемента формулы. Выражение для её вычисления представляет собой формулу в виде уравнения. Например, для серной кислоты уравнение будет с одним неизвестным.
Основные термины в ОВР
ОВР – это восстановительно-окислительные реакции .
- Степень окисления любого атома - характеризует способность этого атома присоединять или отдавать другим атомам электроны ионов (или атомов);
- Принято считать окислителями либо заряженные атомы, либо незаряженные ионы;
- Восстановителем в этом случае будут заряженные ионы или же, напротив, незаряженные атомы, которые теряют свои электроны в процессе химического взаимодействия;
- Окисление заключается в отдаче электронов.
Как расставлять степень окисления в солях
Соли состоят из одного металла и одного или нескольких кислотных остатков. Методика определения такая же, как и в кислотосодержащих кислотах.
Металл, который непосредственно образует соль, располагается в главной подгруппе, его степень будет равна номеру его группы, то есть всегда будет оставаться стабильным, положительным показателем.
В качестве примера можно рассмотреть расстановку степеней окисления в нитрате натрия. Соль образуется с помощью элемента главной подгруппы 1 группы, соответственно, степень окисления будет являться положительной и равна единице. В нитратах кислород имеет одного значение – -2. Для того чтобы получить численное значение, для начала составляется уравнение с одним неизвестным, учитывая все минусы и плюсы у значений: +1+Х-6=0. Решив уравнение, можно прийти к тому факту, что численный показатель положителен и равен + 5. Это показатель азота. Важный ключ чтобы высчитать степень окисления – таблица .
Правило расстановки в основных оксидах
- Оксиды типичных металлов в любых соединениях имеют стабильный показатель окисления, он всегда не больше +1, или в других случаях +2;
- Цифровой показатель металла вычисляется при помощи периодической таблицы. Если элемент содержится в главной подгруппе 1 группы, то его значение будет +1;
- Значение оксидов, учитывая и их индексы, после умножения суммировано должны быть равны нулю, т.к. молекула в них нейтральна, частица, лишённая заряда;
- Металлы основной подгруппы 2 группы также имеют устойчивый положительный показатель, который равен +2.
При изучении ионной и ковалентной полярной химической связи вы знакомились со сложными веществами, состоящими из двух химических элементов. Такие вещества называют би парными (от лат. би — «два») или двухэлементными.
Вспомним типичные бпнарные соединения, которые мы привели в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентноЙ полярной химической связи : NaHl — хлорид натрия и НСl — хлороводород. В первом случае связь ионная: атом натрия передал свой внешний электрон атому хлора и превратился при этом в ион с зарядом -1. а атом хлора принял электрон и превратился в ион с зарядом -1. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так:
В молекуле же НСl связь образуется за счет спаривания не-спаренных внешних электронов и образования общей электронной пары атомов водорода и хлора.
Правильнее представлять образование ковалентной связи в молекуле хлороводорода как перекрывание одноэлектронного s-облака атома водорода с одноэлектронным p-облаком атома хлора:
При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора:
Такие условные заряды называются степенью окисления . При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связующие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных ионов.
— это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из ионов.
Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху, например:
Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов пли к которым смещены общие электронные пары, то есть атомы более электроотрицательных элементов. Фтор всегда имеет степень окисления -1 во всех соединениях. Кислород , второй после фтора по значению элекгроотрицательности элемент, почти всегда имеет степень окисления -2, кроме соединений со фтором, например:
Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, то есть атомы менее электроотрицательных элементов. Металлы всегда имеют положительную степень окисления. У металлов главных подгрупп:
I группы во всех соединениях степень окисления равна +1,
II группы равна +2. III группы — +3, например:
В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, всегда можно найти степень окисления другого элемента по формуле бинарного соединения. Например, найдем степень окисления хлора в соединении Сl2О2. Обозначим степень окисления -2
кислорода: Сl2О2. Следовательно, семь атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд (-2) 7 =14. Тогда общий заряд двух атомов хлора будет равен +14, а одного атома хлора:
(+14):2 = +7.
Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например карбида алюминия (соединения алюминия и углерода). Запишем знаки алюминия н углерода рядом АlС, причем сначала знак алюминия, так как это металл. Определим по таблице элементов Менделеева число внешних электронов: у Аl — 3 электрона, у С — 4. Атом алюминия отдаст свои 3 внешних электрона углероду и получит при этом степень окисления +3, равную заряду иона. Атом углерода, наоборот, примет недостающие до "заветной восьмерки" 4 электрона и получит при этом степень окисления -4.
Запишем эти значения в формулу: АlС, и найдем наименьшее общее кратное для них, оно равно 12. Затем рассчитаем индексы:
Знать степени окисления элементов необходимо и для того, чтобы уметь правильно называть химическое соединение.
Названия бинарных соединений состоят из двух слов — названий образующих их химических элементов. Первое слово обозначает электроотрицательную часть соединения — неметалл, его латинское название с суффиксом -ид стоит всегда в именительном падеже. Второе слово обозначает электроположительную часть — металл или менее электроотрицательный элемент, его название всегда стоит в родительном падеже. Если же электроположительный элемент проявляет разные степени окисления, то это отражают в названии, обозначив степень окисления римской цифрой, которая ставится в конце.
Чтобы химики разных стран понимали друг друга, потребовалось создание единой терминологии и номенклатуры веществ. Принципы химической номенклатуры были впервые разработаны французскими химиками А. Лавуазье, А.Фурктуа, Л.Гитоном и К.Бертолле в 1785г. В настоящее время Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) координирует деятельность ученых рядных стран и издает рекомендации по номенклятурс веществ и терминологии, используемой к химии.