Ступінь окислення

Коли атоми взаємодіють і утворюють хімічний зв’язок, електрони між ними в більшості випадків розподіляються нерівномірно, оскільки властивості атомів розрізняються. Більш електронегативний атом сильніше притягує до себе електронну щільність.

Атом, який притягнув до себе електронну щільність, набуває частковий негативний заряд δ-, його «партнер» – частковий позитивний заряд δ +. Якщо різниця електронегативності атомів, що утворюють зв’язок, не перевищує 1,7, ми називаємо зв’язок ковалентного полярної. Якщо різниця електронегативності, що утворюють хімічний зв’язок, перевищує 1,7, то такий зв’язок ми називаємо іонної.

Ступінь окислення – це допоміжний умовний заряд атома елемента в з’єднанні, обчислений з припущення, що всі з’єднання складаються з іонів (всі полярні зв’язку – іонні).

Що значить «умовний заряд»? Ми просто-напросто домовляємося, що трохи спростимо ситуацію: будемо вважати будь-які полярні зв’язку повністю іонними, і будемо вважати, що електрон повністю йде або приходить від одного атома до іншого, навіть якщо насправді це не так. А йде умовно електрон від менш електронегативного атома до більш електронегативного.

Наприклад, в зв’язку H-Cl ми вважаємо, що водень умовно «віддав» електрон, і його заряд став +1, а хлор «прийняв» електрон, і його заряд став -1. Насправді таких повних зарядів на цих атомах немає.

Напевно, у вас виникло питання – навіщо ж вигадувати те, чого немає? Це не підступний задум хіміків, все просто: така модель дуже зручна. Уявлення про ступінь окислення елементів корисні при складанні класифікації хімічних речовин, описі їх властивостей, складанні формул сполук і номенклатури. Особливо часто ступеня окислення використовуються при роботі з окисно-відновними реакціями.

Ступені окислення бувають вищі, нижчі і проміжні.

Вища ступінь окислення дорівнює номеру групи зі знаком «плюс».

Нижча визначається, як номер групи мінус 8.

І проміжна ступінь окислення – це майже будь-яке ціле число в інтервалі від нижчого ступеня окислення до вищої.

Наприклад, для азоту характерні: найвищий рівень окислення +5, нижча 5 – 8 = -3, а проміжні ступені окислення від -3 до +5. Наприклад, в гідразин N2H4 ступінь окислення азоту проміжна, -2.

Найчастіше ступінь окислення атомів в складних речовинах позначається спочатку знаком, потім цифрою, наприклад +1, +2, -2 і т.д. Коли мова йде про заряд іона (припустимо, що іон реально існує в з’єднанні), то спочатку вказують цифру, потім знак. Наприклад: Ca2 +, CO3 2-.

Для знаходження ступенів окислення використовують такі правила:

  • Ступінь окислювання атомів у простих речовинах дорівнює нулю;
  • У нейтральних молекулах алгебраїчна сума ступенів окислювання дорівнює нулю, для іонів ця сума дорівнює заряду іона;
  • Ступінь окислення лужних металів (елементи I групи головної підгрупи) в сполуках дорівнює +1, ступінь окислення лужноземельних металів (елементи II групи головної підгрупи) в сполуках дорівнює +2; ступінь окислення алюмінію в сполуках дорівнює +3;
  • Ступінь окислення водню в сполуках з металами (солеобразние гідриди – NaH, CaH2 і ін.) Дорівнює -1; в з’єднаннях з неметалами (летючі водневі з’єднання) +1;
  • Ступінь окислювання кисню дорівнює -2. Виняток становлять пероксиди – сполуки, що містять групу -О-О-, де ступінь окислювання кисню дорівнює -1, і деякі інші сполуки (супероксиди, озоніди, фториди кисню OF2 і ін.);
  • Ступінь окислювання фтору у всіх складних речовинах дорівнює -1.

Вище перераховані ситуації, коли ступінь окислення ми вважаємо постійною. У всіх інших хімічних елементів ступінь окислення – змінна, і залежить від порядку і типу атомів в з’єднанні.

приклади:

Завдання: визначте ступеня окислення елементів в молекулі дихромата калію: K2Cr2O7.

Рішення: ступінь окислення калію дорівнює +1, ступінь окислення хрому позначимо, як х, ступінь окислення кисню -2. Сума всіх ступенів окислення всіх атомів в молекулі дорівнює 0. Отримуємо рівняння: + 1 * 2 + 2 * х-2 * 7 = 0. Вирішуємо його, отримуємо ступінь окислення хрому +6.

У бінарних сполуках більш електронегативний елемент характеризується негативною ступенем окислення, менш електронегативний – позитивної.

Зверніть увагу, що поняття ступеня окислення – дуже умовно! Ступінь окислювання не показує реальний заряд атома і не має реального фізичного сенсу. Це спрощена модель, яка ефективно працює, коли нам необхідно, наприклад, зрівняти коефіцієнти в рівнянні хімічної реакції, або для алгоритмізації класифікації речовин.

Ступінь окислення – це не валентність! Ступінь окислення і валентність в багатьох випадках не збігаються. Наприклад, валентність водню в простому речовині Н2 дорівнює I, а ступінь окислення, згідно з правилом 1, дорівнює 0.

Це базові правила, які допоможуть Вам визначити ступінь окислення атомів в сполуках в більшості випадків.

У деяких ситуаціях ви можете зіткнутися з труднощами при визначенні ступеня окислення атома. Розглянемо деякі з цих ситуацій, і розберемо способи їх вирішення:

У подвійних (солеобразние) оксидах ступінь у атома, як правило, два ступені окислення. Наприклад, в залізній окалині Fe3O4 у заліза два ступені окислення: +2 і +3. Яку з них вказувати? Обидві. Для спрощення можна уявити це з’єднання, як сіль: Fe (FeO2) 2. При цьому кислотний залишок утворює атом зі ступенем окислення +3. Або подвійний оксид можна змалювати таку картину: FeO * Fe2O3.

У пероксосоедіненіях ступінь окислення атомів кисню, з’єднаних ковалентними неполярними зв’язками, як правило, змінюється. Наприклад, в пероксид водню Н2О2, і пероксид лужних металів ступінь окислення кисню -1, тому що одна з зв’язків – ковалентний неполярний (Н-О-О-Н). Інший приклад – пероксомоносерная кислота (кислота Каро) H2SO5 (див. Рис.) Містить у складі два атома кисню зі ступенем окислення -1, інші атоми зі ступенем окислення -2, тому більш зрозумілою буде такий запис: H2SO3 (O2). Відомі також пероксосоедіненія хрому – наприклад, пероксид хрому (VI) CrO (O2) 2 або CrO5, і багато інших.

Ще один приклад з’єднань з неоднозначною ступенем окислення – супероксиди (NaO2) і солеобразние озоніди KO3. В цьому випадку доречніше говорити про молекулярному іоні O2 з зарядом -1 і і O3 з зарядом -1. Будова таких частинок описується деякими моделями, які в російській навчальній програмі проходять на перших курсах хімічних ВНЗ: МО ЛКАО, метод накладення валентних схем та ін.

В органічних сполуках поняття ступеня окислювання не дуже зручно використовувати, тому що між атомами вуглецю існує велика кількість ковалентних неполярних зв’язків. Проте, якщо намалювати структурну формулу молекули, то ступінь окислення кожного атома також можна визначити за типом і кількістю атомів, з якими даний атом безпосередньо пов’язаний. Наприклад, у первинних атомів вуглецю в вуглеводнях ступінь окислення дорівнює -3, у вторинних -2, у теоретичних атомів -1, у четвертинних – 0.

Потренуємося визначати ступінь окислення атомів в органічних сполуках. Для цього необхідно намалювати повну структурну формулу атома, і виділити атом вуглецю з його найближчим оточенням – атомами, з якими він безпосередньо з’єднаний.

Посилання на основну публікацію