Как найти степень окисления химических соединений - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Загрузить PDF

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.

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 Cl₂ имеют степень окисления 0, поскольку оба находятся в химически несвязанном элементарном состоянии.
- Обратите внимание, что аллотропная форма серы S₈, или октасера, несмотря на свое нетипичное строение, также характеризуется нулевой степенью окисления.
2
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.
3
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.^[1] 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 AlCl₃ 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.
4
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 (O₂), 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 O₂^-2). К примеру, в составе молекулы H₂O₂ (перекись водорода) кислород имеет заряд и степень окисления -1.
- В соединении с фтором кислород обладает степенью окисления +2, читайте правило для фтора ниже.
5
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 H₂). Однако в соединениях, называемых гидридами, степень окисления водорода составляет -1.
- Например, в H₂O 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.
6

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.
7
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.
Реклама

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 Na₂SO₄ 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 Na₂SO₄, 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
Умножьте количество атомов на их степень окисления. Теперь, когда нам известны степени окисления всех атомов за исключением одного, необходимо учесть, что атомов некоторых элементов может быть несколько. Умножьте число атомов каждого элемента (оно указано в химической формуле соединения в виде подстрочного числа, следующего за символом элемента) на его степень окисления.
- В Na₂SO₄ мы имеем 2 атома Na и 4 атома O. Таким образом, умножая 2 × +1, получаем степень окисления всех атомов Na (2), а умножая 4 × -2 — степень окисления атомов O (-8).
4
Сложите предыдущие результаты. Суммируя результаты умножения, получаем степень окисления соединения без учета вклада искомого атома.
- В нашем примере для Na₂SO₄ мы складываем 2 и -8 и получаем -6.
5
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 Na₂SO₄ решение выглядит следующим образом:
  - (Сумма известных степеней окисления) + (искомая степень окисления) = (заряд соединения)
  - -6 + S = 0
  - S = 0 + 6
  - S = 6. В Na₂SO₄ сера имеет степень окисления 6.
Реклама

Советы

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.

Что вам понадобится

Периодическая таблица элементов
Доступ в интернет или справочники по химии
Лист бумаги, ручка или карандаш
Калькулятор

Об этой статье

Эту страницу просматривали 644 517 раз.

Была ли эта статья полезной?

Источник

Как определить степень окисления?

Автор – Александр Игоревич Новичков .

Степень окисления – это формальный заряд атома. Слово «формальный» означает, что этого заряда у атома в действительности может и не быть, вернее, он может оказаться немного другим. Однако по разным причинам эти условные заряды удобны и химики всего мира пользуются понятием «степень окисления».

Отметим, что степень окисления указывается в верхнем правом углу атома в формате или , где – целое число. Например: $rm K^+Mn^{+7}O_{mkern 13mu 4}^{-2},; Fe^{+3}Cl_{mkern 4mu3}^{-},; O_{mkern 0mu 2}^{0}.$

Существуют определённые правила нахождения степени окисления.

1. Степень окисления простых веществ равна нулю. Напомню, что простыми называют вещества, состоящие из одного вида атомов. Примеры: $rm O_{mkern 0mu 2}^{0},;P_{mkern 0mu 4}^{0},;Na^0.$
2. Некоторые атомы в сложных соединениях проявляют только одну степень окисления. Такие степени окисления называются постоянными.

– Исключения у водорода соединения , в которых у водорода степень окисления -1.
– Исключения у кислорода $rm H_{mkern 2mu 2}^+O_{mkern 2mu 2}^-,;Na_{mkern 2mu 2}^+O_{mkern 2mu 2}^-,;K^+O_{mkern 2mu 2}^{-frac{1}{2}}, ;K^+O_{mkern 2mu 3}^{-frac{1}{3}}, ;O^{+2}F_{mkern 2mu 2}^{-}, ;O_2^{mkern -3mu +}F_{mkern 2mu 2}^{-}.$

1. Сумма степеней окисления всех атомов сложного соединения должна быть равна нулю. Пользуясь именно эти правилом, мы будем расставлять степени окисления в сложных соединениях.
  Как именно?

Пример 1: расставьте степени окисления в соединении .
Мы знаем степень окисления тогда мы можем найти, что общее количество «плюсов» у четырех атомов . Чтобы в сумме был ноль, у трех атомов rm C заряд должен быть , значит у каждого атома $rm ; C rightarrow -4 ;; Al_{mkern 13mu 4}^{+3}C_{mkern 14mu 3}^{-4}.$

Пример 2: Найдите степени окисления всех атомов в соединении
Сначала подпишем постоянные степени окисления $rm K_{mkern 3mu 2}^{+}Cr_2^{?}O_{mkern 14mu 7}^{-2}.$

Посчитаем общее количество плюсов и минусов $rm frac{displaystyle K_{mkern 3mu 2}^{+}}{displaystyle +2} ;frac{displaystyle Cr_2^{?}}{displaystyle ?} ;frac{displaystyle O_{mkern 14mu 7}^{-2}}{displaystyle -14}.$

Для того, чтобы плюсов и минусов было одинаковое количество у двух хромов в сумме должно быть +12 , а значит, у каждого атома $rm +6, ; K_{mkern 3mu 2}^{+}Cr_2^{+6}O_{mkern 14mu 7}^{-2}.$

Пример 3: Найдите степени окисления всех атомов в соединении
Для начала заметим, что для нахождения степени окисления удобно «раскрыть скобки» и представить соединение как и тогда задание выполняется аналогично заданию из примера 2.
Ответ: $rm Al^{+3}(Cl^{+5}O_{mkern 14mu 3}^{-2})_3.$

1. В некоторых устоявшихся группах атомов в составе веществ (кислотные остатки и ион аммония) степени окисления атомов неизменны и их тоже стоит запомнить.

$rm (S^{+6}O_{mkern 13mu 4}^{-2})^{2-},;(S^{+4}O_{mkern 14mu 3}^{-2})^{2-},;(C^{+4}O_{mkern 14mu 3}^{-2})^{2-},;(Si^{+4}O_{mkern 14mu 3}^{-2})^{2-},;(P^{+5}O_{mkern 13mu 4}^{-2})^{3-},$
$rm (N^{+5}O_{mkern 14mu 3}^{-2})^{-},;(N^{+3}O_{mkern 14mu 2}^{-2})^{-},;(N^{-3}H_{mkern 2mu 4}^{+})^{+}.$

Пользуясь этими правилами, можно расставить степени окисления практически во всех соединений, встречающихся на ЕГЭ по химии.

Если вам понравился наш материал – записывайтесь на курсы подготовки к ЕГЭ по химии онлайн

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими публикациями.
Информация на странице «Как определить степень окисления?» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
07.05.2023

Источник

Степень окисления и валентность – понятия в чём-то близкие и взаимозаменяемые в ряде ситуаций. Но если валентность всегда положительна (поскольку по определение – способность атомов образовывать то или иное число химических связей. А число связей, очевидно, отрицательным быть не может), то степень окисления может иметь как положительные, так и отрицательные значения. А всё потому, что степень окисления – показывает, каким бы был заряд атома, если бы все электроны, образующие химическую связь сместились к нему (или полностью от него оторвались, сместившись к другому атому).

Фото: pixabay.com

В бинарных соединениях степень окисления найти просто. Нужно помнить два момента:

1. Молекула всегда нейтральна, у неё нет заряда (или же он равен 0), поэтому число отрицательных зарядов равно числу зарядов положительных.

2. Произведения степени окисления атома и индекса, стоящего у атома в молекуле, у обоих составляющих молекулу атомов равны по модулю.

Также стоит запомнить, что

у многих элементов степени окисления почти всегда постоянны. Так, кислород имеет степень окисления -2, водород (очень часто, но не всегда!) и щелочные металлы +1, металлы второй группы +2 и т.д.

Но есть и элементы, которые могут иметь разную степень кисления, например, у серы она может быть -2, +4 или +6.

Для примера определим степени окисления меди в двух оксидах: Cu2O и CuO.

Известно, что у кислорода степень окисления -2. Напомню, что степень окисления указывается справа вверху от элемента. Таким образом, запишем для первого оксида:

Для кислорода произведение степени окисления и индекса -2*1=-2 или по модулю 2. Для меди произведение степени окисления и индекса тоже должно равняться 2. С учётом того, что у меди стоит индекс 2 получаем степень окисления 1. Очевидно, что это +1: поскольку в молекуле уже есть отрицательно заряженная составляющая, другая составляющая должна быть заряжена положительно. Таким образом, в оксиде меди Cu2O степень окисления меди +1.

С оксидом CuО дело обстоит ещё проще. Когда в молекуле атомы соединены 1 к 1, то степени окисления у них равны по модулю. Поскольку у кислорода степень окисления -2, то у меди здесь степень окисления +2.

Теперь разберём примеры посложнее и рассмотрим молекулы, состоящие из атомов трёх видов.

Пример 1.

Определите степень окисления серы в серной кислоте.

Серная кислота имеет формулу H2SO4. Чтобы понять, какая степень окисления у серы в этом соединении, нужно помнить, что заряд молекулы всегда равен 0, то есть число отрицательных зарядов всегда равно числу положительных. Теперь посмотрим на формулу и вспомним, что кислород имеет степень окисления -2, водород +1, то есть:

Что отсюда видно? Что пока у нас имеется два положительных заряда, это вклад водорода (+2 мы получаем, умножив степень окисления водорода на индекс: +1*2=+2) и восемь отрицательных, это вклад кислорода (-8 мы получаем, умножив степень окисления кислорода на индекс: -2*4=-8). Но нам нужно, чтобы число положительных зарядов было равно числу отрицательных, только при этом условии заряд молекулы будет 0. Следовательно, недостаёт 6 положительных зарядов. Это и есть степень окисления серы в серной кислоте: +6. То есть можно записать так:

Пример 2.

Найдём степень окисления азота в азотистой кислоте HNO2.

Рассуждать будет аналогично, исходя из известных степеней окисления (-2 у кислорода и +1 и водорода):

Перемножив степени окисления с индексами, получим, что у нас 1 положительный заряд (от водорода: +1*1=+1) и четыре отрицательных (от кислорода: -2*2=-4). Для общего нулевого заряда молекулы недостаёт трёх положительных зарядов, которые и даст азот. То есть в азотистой кислоте степень окисления азота +3:

Для тренировки попробуйте самостоятельно определить степень окисления хрома в бихромате калия K2CrO4.

Пишите, пожалуйста, в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.

Источник

В химических процессах главную роль играют атомы и молекулы, свойства которых определяют исход химических реакций. Одной из важных характеристик атома является окислительное число, которое упрощает метод учета переноса электронов в частице. Как определить степень окисления или формальный заряд частицы и какие правила необходимо знать для этого?

Оглавление

Определение
Правила определения степени окисления
Полезное видео: определение степени окисления
Как определить степень окисления
Таблица оксидации
Полезное видео: учимся определять степень окисления по формулам
Вывод

Определение

Любая химическая реакция обусловлена взаимодействием атомов различных веществ. От характеристик мельчайших частиц зависит процесс реакции и ее результат.

Термин окисление (оксидация) в химии означает реакцию, в ходе которой группа атомов или один из них теряют электроны или приобретают, в случае приобретения реакцию называют «восстановлением».

Степень окисления – это величина, которая измеряется количественно и характеризует перераспределяемые электроны в ходе реакции. Т.е. в процессе оксидации электроны в атоме уменьшаются или увеличиваются, перераспределяясь между другими взаимодействующими частицами, и уровень оксидации показывает, как именно они реорганизуются. Данное понятие тесно связано с электроотрицательностью частиц – их умением притягивать и отталкивать от себя свободные ионы.

Это интересно! Что такое алканы: строение и химические свойства

Определение уровня оксидации зависит от характеристик и свойств конкретного вещества, поэтому нельзя однозначно назвать процедуру вычисления легкой или сложной, но ее результаты помогают условно записать процессы окислительно-восстановительных реакций. Следует понимать, что полученный результат вычислений является результатом учета переноса электронов и не имеет физического смысла, а также не является истинным зарядом ядра.

Важно знать! Неорганическая химия часто использует термин валентности вместо степени окисления элементов, это не является ошибкой, но следует учитывать, что второе понятие более универсальное.

Понятия и правила вычислений движения электронов являются основой для классификации химических веществ (номенклатура), описания их свойств и составления формул связи. Но наиболее часто данное понятие используется для описания и работы с окислительно-восстановительными реакциями.

Правила определения степени окисления

Как узнать степень окисления? При работе с окислительно-восстановительными реакциями важно знать, что формальный заряд частицы всегда будет равен величине электрона, выраженного в числовом значении. Эта особенность связана с тем предположением, что электронные пары, образующие связь, всегда полностью смещаются в сторону более отрицательных частиц. Следует понимать, что речь идет об ионных связях, а в случае реакции при ковалентной связи электроны будут делиться поровну между одинаковыми частицами.

Окислительное число может иметь как положительные, так и отрицательные значения. Все дело в том, что в процессе реакции атом должен стать нейтральным, а для этого нужно либо присоединить к иону некое количество электронов, если он положительный, либо отнять их, если он отрицательный. Для обозначения данного понятия при записи формулы обычно прописывают над обозначением элемента арабскую цифру с соответствующим знаком. Например, или и т.д.

Следует знать, что формальный заряд металлов всегда будет положительным, а в большинстве случаев, чтобы определить его, можно воспользоваться таблицей Менделеева. Существует ряд особенностей, которые необходимо учитывать, чтобы определять показатели правильно.

Как определить степень окисления

Степень оксидации:

У простых элементов всегда равна нулю: или .
У фтора всегда будет равна -1.
Как и у металлов, у элементов из групп IA, IIA и IIIA групп всегда одинаковая – это номер группы, в которой они расположены.
У кислорода в любой связи равна -2, кроме связей с пероксидами (Н2О2), когда значение равно -1 и оксидом фтора (O+2F2-1, O2+1F2-1), когда она равна +2.
У водорода всегда +1, кроме его взаимодействия с гидридами (Na+H- и связями по типу C+4H4-1).
У простого вещества без связей с другими элементами всегда равна нулю.
У простого иона с одним атомом равна числу его электрона (Na+, Ca+2).
Если рассматривается связь двух веществ различной природы (металл и неметалл), то отрицательное окислительное число будет наблюдаться у вещества, которое обладает большей электроотрицательностью (H+F-, Cu+Br-), а положительное, соответственно, у элемента с электроотрицательностью больше нуля.
У щелочных металлов, таких как литий, натрий, калий и прочих, всегда +1.
У металлов из главной подгруппы II (магний, барий, кальций и стронций) равна +2.
У алюминия всегда одинаковое значение — +3.

Запомнив эти особенности, достаточно просто будет определять окислительное число у элементов, независимо от сложности и количества уровней атомов.

Полезное видео: определение степени окисления

Как определить степень окисления

Периодическая таблица Менделеева содержит почти всю необходимую информацию для работы с химическими элементами. Например, школьники используют только ее для описания химических реакций. Так, чтобы определить максимальные положительные и отрицательные значения окислительного числа необходимо свериться с обозначением химического элемента в таблице:

Максимально положительное – это номер группы, в которой находится элемент.
Максимально отрицательная степень окисления – это разница между максимально положительной границей и числом 8.

Таким образом, достаточно просто узнать крайние границы формального заряда того или иного элемента. Такое действие можно совершить с помощью вычислений на основе таблицы Менделеева.

Важно знать! У одного элемента могут быть одновременно несколько различных показателей оксидации.

Различают два основных способа определения уровня оксидации, примеры которых представлены ниже. Первый из них – это способ, который требует знаний и умений применять законы химии. Как расставлять степени окисления с помощью этого способа?

Правило определения степеней окисления

Для этого необходимо:

Определить, является ли данное вещество элементарным и находится ли оно вне связи. Если да, то его окислительное число будет равно 0, независимо от состава вещества (отдельные атомы или многоуровневые атомные соединения).
Определить, состоит ли рассматриваемое вещество из ионов. Если да, то степень оксидации будет равна их заряду.
Если рассматриваемое вещество металл, то посмотреть на показатели других веществ в формуле и вычислить показания металла путем арифметических действий.
Если все соединение имеет один заряд (по сути это сумма всех частиц представленных элементов), то достаточно определить показатели простых веществ, затем вычесть их от общей суммы и получить данные металла.
Если связь нейтральная, то общая сумма должна быть равна нулю.

Это интересно! Уроки химии: что это такое галогены

Для примера можно рассмотреть объединение с ионом алюминия, чей общий заряд равен нулю. Правила химии подтверждают тот факт, что ион Cl имеет окислительное число -1, а в данном случае их три в соединении. Значит ион Al должен быть равен +3, чтобы все соединение было нейтральным.

Этот способ весьма хорош, поскольку правильность решения всегда можно проверить, если сложить все уровни оксидации вместе.

Второй метод можно применять без знания химических законов:

Найти данные частиц, по отношению к которым нет строгих правил и точное количество их электронов неизвестно (можно путем исключения).
Выяснить показатели всех прочих частиц и после из общей суммы путем вычитания найти нужную частицу.

Рассмотрим второй метод на примере вещества Na2SO4, в котором не определен атом серы S, известно лишь, что он отличен от нуля.

Это интересно! Уроки химии: катионы и анионы – что это такое

Чтобы найти, чему равны все степени окисления необходимо:

Найти известные элементы, помня о традиционных правилах и исключениях.
Ион Na = +1, а каждый кислород = -2.
Умножить количество частиц каждого вещества на их электроны и получить степени оксидации всех атомов, кроме одного.
В Na2SO4 состоят 2 натрия и 4 кислорода, при умножении получается: 2 X +1 = 2 – это окислительное число всех частиц натрия и 4 X -2 = -8 – кислородов.
Сложить полученные результаты 2+(-8) =-6 – это общий заряд соединения без частицы серы.
Представить химическую запись в виде уравнения: сумма известных данных + неизвестное число = общий заряд.
Na2SO4 представлено следующим образом: -6 + S = 0, S = 0 + 6, S = 6.

Таким образом, чтобы использовать второй метод, достаточно знать простые законы арифметики.

Таблица оксидации

Для простоты работы и вычисления показателей оксидации для каждого химического вещества используют специальные таблицы, где прописаны все данные.

Она выглядит следующим образом:

Полезное видео: учимся определять степень окисления по формулам

Вывод

Нахождение степени окисления для химического вещества – это простое действие, которое требует лишь внимательности и знания основных правил и исключений. Зная исключения и пользуясь специальными таблицами, это действие не будет занимать много времени.

Источник

Сте́пень окисле́ния (окислительное число^[1]) — вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атома молекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов: она не является истинным зарядом атома в молекуле (см. #Условность).

Представления о степени окисления элементов положены в основу и используются при классификации химических веществ, описании их свойств, составлении формул соединений и их международных названий (номенклатуры). Но особенно широко оно применяется при изучении окислительно-восстановительных реакций.

Понятие степень окисления часто используют в неорганической химии вместо понятия валентность.

Определение[править | править код]

Степень окисления атома равна численной величине электрического заряда, приписываемого атому в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов (то есть исходя из предположения, что соединение состоит только из ионов). В случае ковалентной связи между одинаковыми атомами электроны делят поровну между атомами.

Степень окисления соответствует числу электронов, которое следует присоединить к положительному иону, чтобы восстановить его до нейтрального атома, или отнять от отрицательного иона, чтобы окислить его до нейтрального атома:

${displaystyle {mathsf {Al^{3+}+3e^{-}rightarrow Al}}}$

${displaystyle {mathsf {S^{2-}rightarrow S+2e^{-}}}}$

Описание[править | править код]

В научной литературе для обозначения степени окисления элемента используется метод Штока^[2]. Степень окисления указывается после названия либо символа элемента римскими цифрами в круглых скобках, причём пробел перед открывающей скобкой не ставится: железо(III), Ni(II).

Степень окисления также может указываться арабскими цифрами сверху над символом элемента: ${displaystyle mathrm {{stackrel {+1}{Na}}{stackrel {-1}{Cl}},{stackrel {+2}{Mg}}{stackrel {-1}{Cl}}_{2},{stackrel {-3}{N}}{stackrel {+1}{H}}_{3},{stackrel {+2}{C}}{stackrel {-2}{O}},{stackrel {+4}{C}}{stackrel {-2}{O}}_{2},{stackrel {+1}{Cl}}{stackrel {-1}{F}},{stackrel {+1}{H}}{stackrel {+5}{N}}{stackrel {-2}{O}}_{3},{stackrel {-4}{C}}{stackrel {+1}{H}}_{4},{stackrel {+1}{K}}{stackrel {+7}{Mn}}{stackrel {-2}{O}}_{4}.} }$ . В отличие от указания заряда иона, при указании степени окисления первым ставится знак, а потом численное значение, а не наоборот^[3] (при этом в формулах почти всегда указывается заряд атома/иона, а в тексте — степень окисления +2, +3…, отсюда и путаница; в формулах степень окисления пишут над элементом (знак впереди — на первом месте), заряд для ионов (не для каждого элемента в сложных ионах!) — пишется верхним индексом — сверху справа после иона (знак позади числа): $({stackrel {-3}{{mbox{N}}}}{stackrel {+1}{{mbox{H}}}}_{{4}})_{2}{stackrel {+6}{{mbox{S}}}}{stackrel {-2}{{mbox{O}}}}_{{4}}$ — степени окисления, ${({mbox{NH}}}_{4}^{{1+}})_{2}{{mbox{SO}}}_{4}^{{2-}}$ — заряды.

Степень окисления (в отличие от валентности) может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху: ${displaystyle mathrm {{stackrel {0}{Kr}},{stackrel {+1}{mbox{Na}}}_{2}{stackrel {-2}{mbox{O}}}.} }$

Правила вычисления степени окисления:

Степень окисления атома любого элемента в свободном (несвязанном) состоянии (простое вещество) равна нулю, так, например, атомы в молекулах имеют нулевую степень окисления: ${displaystyle mathrm {{stackrel {0}{O}}_{3},{stackrel {0}{O}}_{2},{stackrel {0}{H}}_{2},{stackrel {0}{N}}_{2},{stackrel {0}{S}}_{8},{stackrel {0}{P}}_{4},{stackrel {0}{Br}}_{2},{stackrel {0}{Cl}}_{2},{stackrel {0}{C}},{stackrel {0}{Fe}},{stackrel {0}{Na}}.} }$
Степень окисления любого простого одноатомного иона соответствует его заряду, например: Na⁺ = +1, Ca²⁺ = +2, Cl⁻ = −1.
Степень окисления водорода в любом неионном соединении равна +1. Это правило применимо к подавляющему большинству соединений водорода, таких, как H₂O, NH₃ или CH₄. (Определение через электротрицательность даёт исключение для некоторых веществ: ${displaystyle mathrm {{stackrel {+4}{Si}}{stackrel {-1}{H}}_{4},{stackrel {+3}{As}}{stackrel {-1}{H}}_{3}} }$ ). Для ионных гидридов металлов, например NaH, степень окисления водорода −1.
Степень окисления кислорода равна −2 во всех соединениях, где кислород не образует простой ковалентной связи O—O, то есть в подавляющем большинстве соединений — оксидах. Так, степень окисления кислорода равна −2 в H₂O, H₂SO₄, NO, CO₂ и CH₃OH; но в пероксиде водорода, H₂O₂ (HO—OH), она равна −1 (другими исключениями из правила, согласно которому кислород имеет степень окисления −2, являются ${displaystyle mathrm {{stackrel {+2}{O}}{stackrel {-1}{F}}_{2},{stackrel {+1}{O}}_{2}{stackrel {-1}{F}}_{2}} }$ , а также свободные радикалы, например ).
В соединениях неметаллов, не включающих водород и кислород, неметалл с большей электроотрицательностью считается отрицательно заряжённым. Степень окисления такого неметалла полагается равной заряду его наиболее распространённого отрицательного иона. Например, в CCl₄ степень окисления хлора −1, а углерода +4. В CH₄ степень окисления водорода +1, а углерода −4. В SF₆ степень окисления фтора −1, а серы +6, но в CS₂ степень окисления серы −2, а степень окисления углерода +4.
Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в формуле нейтрального соединения всегда равна нулю:

${stackrel {+1}{{mbox{H}}}}_{{2}}{stackrel {+6}{{mbox{S}}}}{stackrel {-2}{{mbox{O}}}}_{{4}},$

Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в комплексном ионе (катионе либо анионе) должна быть равна его общему заряду (см. также выше 2-й пункт). Так, в ионе NH₄⁺ степень окисления N должна быть равной −3 и, следовательно, −3 + 4 = +1. Поскольку в ионе SO₄²⁻ сумма степеней окисления четырёх атомов кислорода равна −8, сера должна иметь степень окисления, равную +6, чтобы полный заряд иона оказался равным −2.
В химических реакциях должно выполняться правило сохранения алгебраической суммы степеней окисления всех атомов. Именно это правило делает понятие степени окисления столь важным в современной химии. Если в ходе химической реакции степень окисления атома повышается, говорят, что он окисляется, если же степень окисления атома понижается, говорят, что он восстанавливается. В полном уравнении химической реакции окислительные и восстановительные процессы должны точно компенсировать друг друга.
Максимальная положительная степень окисления элемента обычно численно совпадает с номером его группы в периодической системе (классического короткого варианта таблицы). Максимальная отрицательная степень окисления элемента равна максимальной положительной степени окисления минус восемь (например, для халькогена S положительная степень окисления +6, макс. отрицательная 6 − 8 = −2).
Исключение составляют фтор, кислород, благородные газы (кроме ксенона), а также железо, кобальт, родий и элементы подгруппы никеля: их высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. Иридий имеет высшую степень окисления +9^[4]. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе. У лантаноидов степени окисления не превышают +4 (в особых условиях зафиксирована степень окисления +5 для празеодима^[5]); у актиноидов зафиксированы степени окисления вплоть до +7.
Правило о равенстве числу восемь суммы абсолютных величин степеней окисления элемента (R) по кислороду (RO) и по водороду (HR; то есть положительных и отрицательных степеней окисления) соблюдается лишь для p-элементов IV—V—VI—VII групп таблицы ПСХЭ.
Элементы-металлы в соединениях обычно имеют положительную степень окисления. Однако встречаются соединения, где степень окисления металлов нулевая (нейтральные карбонилы и некоторые другие комплексы) и отрицательная (алкалиды, ауриды, анионные карбонилы, фазы Цинтля)^[6]^[7].

Понятие степени окисления вполне применимо и для нестехиометрических соединений (КС₈, Mo₅Si₃, Nb₃B₄ и др.).

Условность[править | править код]

Следует помнить, что степень окисления является сугубо условной величиной, не имеющей физического смысла, но характеризующей образование химической связи межатомного взаимодействия в молекуле.

Степень окисления в ряде случаев не совпадает с валентностью. Например, в органических соединениях углерод всегда четырёхвалентен, а степень окисления атома углерода в соединениях метана CH₄, метилового спирта CH₃OH, формальдегида HCOH, муравьиной кислоты HCOOH и диоксида углерода CO₂, соответственно, равна −4, −2, 0, +2 и +4.

Степень окисления зачастую не совпадает с фактическим числом электронов, которые участвуют в образовании связей. Обычно это молекулы с различными электрондефицитными химическими связями и делокализацией электронной плотности. Например, в молекуле азотной кислоты степень окисления центрального атома азота равна +5, тогда как ковалентность равна 4, а координационное число — 3. В молекуле озона, имеющей сходное с SO₂ строение, атомы кислорода характеризуется нулевой степенью окисления (хотя часто говорят, что центральный атом кислорода имеет степень окисления +4).

Степень окисления в большинстве случаев не отражает также действительный характер и степень электрической поляризации атомов (истинного заряда атомов, определённых экспериментальным путём). Так, и в HCl, и в NaCl степень окисления хлора принимается равной −1, тогда как на самом деле поляризация его атома (относительный эффективный заряд δ⁻) в этих соединениях различна:
δ_Cl(HCl) = −0,17 единицы заряда,
δ_Cl(NaCl) = −0,9 единицы заряда (абсолютного заряда электрона); водорода и натрия — соответственно +0,17 и +0,90^[8].
А в кристаллах сульфида цинка ZnS заряды атомов цинка и серы равны соответственно +0,86 и −0,86, вместо степеней окисления +2 и −2^[9].

На примере хлорида аммония удобно затронуть существующее в современной химии перекрещивание различных понятий. Так, в NH₄Cl атом азота имеет степень окисления −3, ковалентность IV, электровалентность (формальный заряд по Льюису) +1 {аммоний-катион имеет заряд также 1+}, и общую валентность (структурную; общее координационное число) 5, а для его эффективного заряда предлагалось значение −0,45^[10].

Проблемы[править | править код]

Применение понятия степени окисления проблематично для следующих классов соединений^[11]:

Соединения, содержащие ковалентные связи между атомами близкой электроотрицательности, например: PH₃, Cl₃N. В этом случае использование различных шкал электроотрицательности даёт различные результаты. В 2014 году ИЮПАК дал рекомендацию пользоваться шкалой электроотрицательности Аллена, поскольку другие шкалы используют понятия валентного состояния атома (что усложняет определение условной величины) или его степени окисления (что создаёт порочный круг)^[12].
Соединения, содержащие делокализованные ковалентные связи и являющиеся промежуточными между резонансными структурами, где степени окисления атомов различны. Например, в молекуле N₂O крайний атом азота имеет степень окисления от −1 до 0, средний — от +2 до +3. В случае, когда атомы одного элемента в структуре равноправны, им приписывают среднее из возможных значений степени окисления, которое может быть дробным. Например: ${displaystyle mathrm {{stackrel {-1/2}{{{O}_{2}}^{-}}},{stackrel {-6/5}{C}}_{5}{stackrel {+1}{{{H}_{5}}^{-}}}} }$ . В уравнениях окислительно-восстановительных реакций часто используют средние (в том числе дробные) значения степени окисления даже в том случае, когда атомы неравноправны, например ${displaystyle mathrm {{stackrel {+8/3}{mbox{Fe}}}_{3}{stackrel {-2}{mbox{O}}}_{4}} }$ (по строгому определению ${displaystyle mathrm {{stackrel {+2}{mbox{Fe}}}{stackrel {+3}{mbox{Fe}}}_{2}{stackrel {-2}{mbox{O}}}_{4}} }$ ).
Соединения, содержащие полностью делокализованные электроны (металлическая связь). Например, дикарбид лантана LaC₂ состоит из ионов La³⁺, C₂²⁻ и делокализованных электронов. Наличие в соединении ионов C₂²⁻ позволяет считать степень окисления лантана равной +2; с другой стороны, бо́льшая длина связи C≡C по сравнению с CaC₂, объясняемая взаимодействием делокализованных электронов с антисвязывающими орбиталями, позволяет считать степень окисленния углерода равной −3/2. Третья возможность — рассматривать такие соединения как электриды, то есть не приписывать делокализованные электроны ни одному из атомов. В случае, когда все элементы в соединении — металлы (см. Интерметаллиды), их степени окисления обычно считают равными нулю.

Пример составления уравнения окислительно-восстановительной реакции[править | править код]

${mathsf {{stackrel {+8/3}{Fe}}_{{3}}{stackrel {}{O}}_{{4}}+{stackrel {0}{H}}_{{2}}rightarrow {stackrel {0}{Fe}}+{stackrel {+1}{H}}_{{2}}{stackrel {}{O}}}}$

Составляем электронные уравнения:

${begin{array}{rl|l}{mathsf {H_{2}-2e^{{-}}}}&={mathsf {2H^{{+}}}}&{mathsf {4}}\{mathsf {underline {3Fe^{{(+8/3)}}}+8e^{{-}}}}&={mathsf {3Fe}}&{mathsf {1}}end{array}}$

Найденные коэффициенты проставляем в схему процесса, заменяя стрелку на знак равенства:

${mathsf {Fe_{3}O_{4}+4H_{2}=3Fe+4H_{2}O}}$

(то есть в электронных реакциях (методе электронного баланса) железо с дробной степенью окисления записывается только с коэффициентом 3).
На самом деле, в растворе нет ионов Fe²⁺, Fe³⁺ (и уж тем более Fe^+8/3), также как и Cr⁶⁺, Mn⁷⁺, S⁶⁺, а есть ионы CrO₄²⁻, MnO₄⁻, SO₄²⁻, а равно и малодиссоциированные «электролиты» Fe₃O₄ (FeO•Fe₂O₃). Именно поэтому следует отдать предпочтение методу полуреакций (ионно-электронным методам) и применять его при составлении уравнении всех окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водных растворах. То есть мы можем воспользоваться готовой реакцией стандартного электродного потенциала:
Fe₃O₄ + 8H⁺ + 8e⁻ = 3Fe + 4H₂O, E° = −0,085 В.

См. также[править | править код]

Валентность
Координационное число

Примечания[править | править код]

↑ Окислительное число // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
↑ Справочник химика. Под ред. Б. П. Никольского, Л: Химия, 1971. С. 13.
↑ Эту фиктивную зарядность в молекулах с ковалентными связями правильнее называть степенью окисления элемента, иначе, его окислительным числом. Для отличия от положительной или отрицательной зарядности (например, ${{mbox{Ca}}}^{{2+}}{{mbox{O}}}^{{2-}}$ , ${{mbox{Na}}}^{{1+}}{{mbox{Cl}}}^{{1-}}$ ) знаки при степени окисления (окислительном числе) меняют на обратные (например, ). Адекватны этой формуле и изображения: H→F и H^δ+—F^δ−. Агафошин Н.П. Периодический закон и периодическая система хим. элементов Д. И. Менделеева. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1982. — с. 56
↑ Guanjun Wang, Mingfei Zhou, James T. Goettel, Gary J. Schrobilgen, Jing Su, Jun Li, Tobias Schlöder, Sebastian Riedel. Identification of an iridium-containing compound with a formal oxidation state of IX (англ.) // Nature. — 2014. — Vol. 514. — P. 575—577. — doi:10.1038/nature13795.
↑ Qingnan Zhang, Shu‐Xian Hu, Hui Qu, Jing Su, Guanjun Wang, Jun‐Bo Lu, Mohua Chen, Mingfei Zhou, Jun Li. Pentavalent Lanthanide Compounds: Formation and Characterization of Praseodymium(V) Oxides (англ.) // Angewandte Chemie International Edition. — 2016. — Vol. 55. — P. 6896–6900. — ISSN 1521-3773. — doi:10.1002/anie.201602196.
↑ John E. Ellis. Adventures with Substances Containing Metals in Negative Oxidation
States (англ.) // Inorganic Chemistry. — 2006. — Vol. 45. — P. 3167—3186. — doi:10.1021/ic052110i.
↑ Metalle in negativen Oxidationszuständen (нем.). Дата обращения: 14 марта 2015. Архивировано 29 марта 2015 года.
↑ Степень окисления не следует путать с истинным эффективным зарядом атома, который практически всегда выражается дробным числом.
Рассмотрим для наглядности ряд соединений хлора:
${displaystyle mathrm {{H}{stackrel {}{Cl}},{stackrel {}{Cl}}_{2},{stackrel {}{Cl}}_{2}{O},{stackrel {}{Cl}}_{2}{O}_{7}} }$

В HCl хлор отрицательно одновалентен.

В молекуле Cl₂, к примеру, ни один из атомов не оттягивает электронов больше другого, следовательно, заряд [а равно и степень окисления] равен нулю. В Cl₂O хлор снова одновалентен, но уже положительно. В Cl₂O₇ хлор положительно семивалентен:

${displaystyle mathrm {{H}{stackrel {-1}{Cl}},{stackrel {0}{Cl}}_{2},{stackrel {+1}{Cl}}_{2}{O},{stackrel {+7}{Cl}}_{2}{O}_{7}} }$

Определяемые подобным образом электрохимические валентности (степени окисления) отдельных атомов могут не совпадать с их обычными (структурными) валентностями. Например, в молекуле Cl₂ (Cl-Cl) каждый атом хлора электрохимически нуль-валентен (точнее, степень окисления = 0), но структурно он одновалентен (валентность = I).
Некрасов Б.В. Основы общей химии. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Химия, 1973. — Т. I. — стр. 285—295
см. также Эффективный заряд.
↑ Угай Я. А. Валентность, химическая связь и степень окисления — важнейшие понятия химии Архивная копия от 13 апреля 2014 на Wayback Machine // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 3. — С. 53-57
↑ Некрасов Б.В. Основы общей химии. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Химия, 1973. — Т. I. — стр. 395
↑ Pavel Karen, Patrick McArdle, Josef Takats. Toward a comprehensive definition of oxidation state (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2014. — Vol. 86, no. 6. — P. 1017—1081. — ISSN 1365-3075. — doi:10.1515/pac-2013-0505.
↑ P. Karen, P. McArdle, J. Takats. Comprehensive definition of oxidation state (англ.) // Pure Appl. Chem.. — 2015. — 16 December. Архивировано 2 февраля 2017 года.