Як виявляється ступінь окислення. Електронегативність. Ступінь окислення та валентність хімічних елементів
Завдання щодо визначення ступеня окислення може виявитися як простою формальністю, так і складною головоломкою. Насамперед це залежатиме від формули хімічної сполуки, а також наявності елементарних знань з хімії та математики.
Знаючи основні правила та алгоритм послідовно-логічних дій, про які піде мовау цій статті, при вирішенні завдань подібного типу, кожен з легкістю зможе впоратися із цим завданням. А потренувавшись і навчившись визначати ступеня окислення різнопланових хімічних сполук, можна сміливо братися за вирівнювання складних окислювально-відновних реакцій шляхом складання електронного балансу.
Поняття ступеня окиснення
Щоб навчитися визначати ступінь окислення, спочатку необхідно розібратися, що це поняття означає?
- Ступінь окислення застосовують під час запису в окислювально-відновних реакціях, коли відбувається передача електронів від атома до атома.
- Ступінь окиснення фіксує кількість перенесених електронів, позначаючи умовний заряд атома.
- Ступінь окислення та валентність найчастіше тотожні.
Дане позначення пишеться зверху хімічного елемента, у його правому кутку, і є ціле число зі знаком «+» або «-». Нульове значення ступеня окиснення знака несе.
Правила визначення ступеня окиснення
Розглянемо основні канони визначення ступеня окиснення:
- Прості елементарні речовинитобто ті, які складаються з одного виду атомів, завжди будуть мати нульовий ступінь окислення. Наприклад, Na0, H02, P04
- Існує ряд атомів, що мають завжди один, постійний, ступінь окислення. Наведені у таблиці значення краще запам'ятати.
- Як видно, виняток буває лише у водню у поєднанні з металами, де він набуває не властивого йому ступеня окислення «-1».
- Кисень також приймає ступінь окислення «+2» хімічному з'єднанніз фтором та «-1» у складах перекисів, надперекисів або озонідів, де атоми кисню з'єднані один з одним.
- Іони металів мають кілька значень ступеня окислення (причому лише позитивні), тому її визначають за сусідніми елементами у поєднанні. Наприклад, FeCl3, хлор має ступінь окислення «-1», він має 3 атома, отже множимо -1 на 3, отримуємо «-3». Щоб у сумі ступенів окислення сполуки вийшла «0», залізо повинно мати ступінь окислення «+3». У формулі FeCl2 залізо, відповідно, змінить свій ступінь на «+2».
- Математично підсумовуючи ступеня окислення всіх атомів у формулі (з урахуванням знаків), завжди має виходити нульове значення. Наприклад, в соляної кислоти H+1Cl-1 (+1 і -1 = 0), а в сірчистій кислоті H2+1S+4O3-2(+1 * 2 = +2 у водню, +4 у сірки і -2 * 3 = – 6 у кисню, у сумі +6 і -6 дають 0).
- Ступінь окислення одноатомного іона дорівнюватиме його заряду. Наприклад: Na+, Ca+2.
- Найвищий ступінь окислення, як правило, співвідноситься з номером групи в періодичній системі Д. І. Менделєєва.
Алгоритм дій визначення ступеня окиснення
Порядок знаходження ступеня окислення не складний, але потребує уваги та виконання певних дій.
Завдання: розставити ступеня окиснення у з'єднанні KMnO4
- Перший елемент – калій, що має постійний ступінь окислення «+1».
Для перевірки можна переглянути в періодичну систему, де калій знаходиться в 1 групі елементів. - З двох елементів, кисень, як правило, приймає ступінь окислення «-2».
- Отримуємо таку формулу: К+1MnхO4-2. Залишається визначити ступінь окислення марганцю.
Отже, х – невідомий нам ступінь окислення марганцю. Тепер важливо звернути увагу до кількість атомів у соединении.
Кількість атомів калію – 1, марганцю – 1, кисню – 4.
З урахуванням електронейтральності молекули, коли загальний (сумарний) заряд дорівнює нулю,
1*(+1) + 1*(х) + 4(-2) = 0,
+1+1х+(-8) = 0,
-7+1х = 0,
(при перенесенні міняємо знак)
1х = +7, х = +7
Таким чином, ступінь окислення марганцю у поєднанні дорівнює «+7».
Завдання: розставити ступеня окиснення у поєднанні Fe2O3.
- Кисень, як відомо, має ступінь окислення "-2" і виступає окислювачем. З урахуванням кількості атомів (3), у сумі кисню виходить значення «-6» (-2*3= -6), тобто. множимо ступінь окиснення на кількість атомів.
- Щоб урівноважити формулу та призвести до нуля, 2 атоми заліза матимуть ступінь окислення «+3» (2*+3=+6).
- У сумі отримуємо нуль (-6 та +6 = 0).
Завдання: розставити ступеня окиснення з'єднання Al(NO3)3.
- Атом алюмінію – один і має постійний рівень окислення «+3».
- Атомів кисню у молекулі – 9 (3*3), ступінь окислення кисню, як відомо «-2», отже, помножуючи ці значення, отримуємо «-18».
- Залишилось вирівняти негативні та позитивні значення, Визначивши таким чином ступінь окислення азоту. -18 і +3, не вистачає + 15. А з огляду на те, що є 3 атоми азоту, легко визначити його ступінь окислення: 15 ділимо на 3 і отримуємо 5.
- Ступінь окислення азоту «+5», а формула матиме вигляд: Al+3(N+5O-23)3
- Якщо складно в такий спосіб визначати потрібне значення, можна складати і розв'язувати рівняння:
1 * (+3) + 3х + 9 * (-2) = 0.
+3+3х-18=0
3х = 15
х = 5
Отже, ступінь окислення - досить важливе поняття в хімії, що символізує стан атомів у молекулі.
Без знання певних положень чи основ, що дозволяють правильно визначати ступінь окислення, неможливо впоратися із виконанням цього завдання. Отже, висновок один: досконально ознайомитися та вивчити правила знаходження ступеня окислення, чітко та лаконічно представлені у статті, і сміливо рухатися далі нелегким шляхом хімічних премудростей.
Хімічний елемент у поєднанні, обчислений з припущення, що всі зв'язки мають іонний тип.
Ступені окислення можуть мати позитивне, негативне або нульове значення, тому алгебраїчна сума ступенів окислення елементів у молекулі з урахуванням числа їх атомів дорівнює 0, а в іоні – заряду іона.
1. Ступені окислення металів у з'єднаннях завжди позитивні.
2. Найвищий ступінь окислення відповідає номеру групи періодичної системи, де знаходиться даний елемент (виняток становлять: Au +3(І група), Cu +2(II), з VIII групи ступінь окислення +8 може бути тільки у осмію Osта рутенія Ru.
3. Ступені окислення неметалів залежать від того, з яким атомом він з'єднаний:
- якщо з атомом металу, то ступінь окиснення негативна;
- якщо з атомом неметалу то ступінь окислення може бути і позитивний, і негативний. Це залежить від електронегативності атомів елементів.
4. Вищий негативний ступінь окиснення неметалів можна визначити відніманням з 8 номери групи, у якій перебуває цей елемент, тобто. найвищий позитивний ступінь окислення дорівнює числу електронів на зовнішньому шарі, що відповідає номеру групи.
5. Ступені окислення простих речовин дорівнюють 0, незалежно від того метал це або неметал.
Елементи з постійними ступенями окиснення.
|
Елемент |
Характерний ступінь окислення |
Винятки |
|
Гідриди металів: LIH-1 |
||
|
Ступенем окисленняназивають умовний заряд частки у припущенні, що зв'язок повністю розірваний (має іонний характер). H- Cl = H + + Cl - , Зв'язок у соляній кислоті ковалентний полярний. Електронна пара більшою мірою зміщена у бік атома Cl - , т.к. він більш електронегативний елемент. Як визначити ступінь окиснення?Електронегативність- Це здатність атомів притягувати до себе електрони інших елементів. Ступінь окислення вказується над елементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 ,K + Cl - і т.д. Вона може бути негативною та позитивною. Ступінь окислення простої речовини (незв'язаний, вільний стан) дорівнює нулю. Ступінь окислення кисню у більшості сполук дорівнює -2 (виняток становлять пероксиди Н 2 Про 2, де вона дорівнює -1 та з'єднання з фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ). - Ступінь окисленняпростого одноатомного іона дорівнює його заряду: Na + , Ca +2 . Водень у своїх сполуках має ступінь окислення рівну +1 (виключення становлять гідриди - Na + H - та з'єднання типу C +4 H 4 -1 ). У зв'язках «метал-неметал» негативний ступінь окислення має той атом, який має більшу електрооприцільність (дані про елекронегативність наведені в шкалі Полінга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - і т.д. Правила визначення ступеня окислення у хімічних сполуках.Візьмемо з'єднання KMnO 4 , необхідно визначити ступінь окислення атома марганцю. Міркування:
До +Mn X O 4 -2 Нехай Х- невідомий нам ступінь окислення марганцю. Кількість атомів калію – 1, марганцю – 1, кисню – 4. Доведено, що молекула в цілому електронейтральна, тому її загальний заряд має дорівнювати нулю. 1*(+1) + 1*(X) + 4(-2) = 0, Х = +7, Отже, ступінь окислення марганцю перманганаті калію = +7. Візьмемо інший приклад оксиду Fe 2 O 3. Необхідно визначити рівень окислення атома заліза. Міркування:
2*(Х) + 3*(-2) = 0, Висновок: ступінь окислення заліза у цьому оксиді дорівнює +3. приклади.Визначити ступеня окиснення всіх атомів у молекулі. 1. K 2 Cr 2 O 7. Ступінь окислення До +1, кисню Про -2. Враховуючи індекси: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2). Т.к. алгебраїчна сума ступенів окислення елементів у молекулі з урахуванням числа їх атомів дорівнює 0, то число позитивних ступенів окислення дорівнює числу негативних. Ступені окислення К+О=(-14)+(+2)=(-12). З цього випливає, що у атома хрому число позитивних ступенів дорівнює 12, але атомів у молекулі 2, отже, на один атом припадає (+12):2=(+6). Відповідь: До 2 + Cr 2 +6 O 7 -2. 2.(AsO 4) 3- . У разі сума ступенів окислення дорівнюватиме вже не нулю, а заряду іона, тобто. - 3. Складемо рівняння: х+4×(- 2)= - 3 . Відповідь: (As +5 O 4 -2) 3- . |
При вивченні іонної та ковалентної полярної хімічного зв'язкуви знайомилися зі складними речовинами, що складаються з двох хімічних елементів. Такі речовини називають бі парними (від латів. бі — «два») або двоелементними.
Згадаймо типові бронарні сполуки, які ми навели як приклад для розгляду механізмів утворення іонного та ковалентного полярного хімічного зв'язку: NaHl — хлорид натрію та НСl — хлороводень. У першому випадку зв'язок іонний: атом натрію передав свій зовнішній електрон атому хлору і перетворився при цьому на іон із зарядом -1. а атом хлору прийняв електрон і перетворився на іон із зарядом -1. Схематично процес перетворення атомів на іони можна зобразити так:
У молекулі ж НСl зв'язок утворюється за рахунок спарювання не-спарених зовнішніх електронів та утворення загальної електронної пари атомів водню та хлору.
Правильніше представляти утворення ковалентного зв'язку в молекулі хлороводню як перекриття одноелектронної s-хмари атома водню з одноелектронною p-хмарою атома хлору:
При хімічній взаємодії загальна електронна пара зміщена у бік більш негативного атома хлору:
Такі умовні заряди називаються ступенем окиснення. При визначенні цього поняття умовно припускають, що в ковалентних полярних сполуках сполучні електрони повністю перейшли до більш негативного атома, а тому сполуки складаються тільки з позитивно і негативно заряджених іонів.
— це умовний заряд атомів хімічного елемента у поєднанні, обчислений з урахуванням припущення, що це сполуки (і іонні, і ковалентно-полярні) складаються лише з іонів.
Ступінь окислення може мати негативне, позитивне або нульове значення, які зазвичай ставляться над символом зверху елемента, наприклад: 
Негативне значення ступеня окислення мають ті атоми, які прийняли електрони від інших атомів пли до яких зміщені загальні електронні пари, тобто атоми більш негативних елементів. Фтор має ступінь окислення -1 у всіх сполуках. Кисень , другий після фтору за значенням елегронегативності елемент, майже завжди має ступінь окислення -2, крім сполук з фтором, наприклад:
Позитивне значення ступеня окислення мають ті атоми, які віддають свої електрони іншим атомам або яких відтягнуті загальні електронні пари, тобто атоми менш електронегативних елементів. Метали завжди мають позитивний ступінь окиснення. У металів головних підгруп:
І групи у всіх сполуках ступінь окислення дорівнює +1,
ІІ групи дорівнює +2. III групи - +3, наприклад:
У сполуках сумарний ступінь окиснення завжди дорівнює нулю. Знаючи це й ступінь окиснення одного з елементів, завжди можна знайти ступінь окиснення іншого елемента за формулою бінарної сполуки. Наприклад, знайдемо ступінь окислення хлору у поєднанні Сl2О2. Позначимо ступінь окислення -2
кисню: Сl2О2. Отже, сім атомів кисню матимуть загальний негативний заряд (-2) 7 =14. Тоді загальний заряд двох атомів хлору дорівнюватиме +14, а одного атома хлору:
(+14):2 = +7.
Аналогічно, знаючи ступеня окислення елементів, можна скласти формулу сполуки, наприклад, карбіду алюмінію (сполуки алюмінію та вуглецю). Запишемо знаки алюмінію н вуглецю поруч АlС, причому спочатку знак алюмінію, оскільки це метал. Визначимо за таблицею елементів Менделєєва число зовнішніх електронів: у Аl - 3 електрона, у С - 4. Атом алюмінію віддасть свої 3 зовнішні електрони вуглецю і отримає при цьому ступінь окислення +3, рівну заряду іона. Атом вуглецю, навпаки, прийме недостатні до "заповітної вісімки" 4 електрона і отримає при цьому ступінь окислення -4.
Запишемо ці значення формулу: АlС, і знайдемо найменше загальне кратне їм, воно дорівнює 12. Потім розрахуємо індекси:
Знати ступеня окиснення елементів необхідно і для того, щоб вміти правильно називати хімічну сполуку.
Назви бінарних сполукскладаються з двох слів — назв хімічних елементів, що їх утворюють. Перше слово означає електронегативну частину з'єднання — неметал, його латинська назваз суфіксом -ід стоїть завжди в називному відмінку. Друге слово означає електропозитивну частину — метал або менш електронегативний елемент, його назва завжди стоїть у родовому відмінку. Якщо ж електропозитивний елемент виявляє різні ступені окислення, це відбивають у назві, позначивши ступінь окислення римської цифрою, що ставиться наприкінці.
Щоб хіміки різних країнрозуміли одне одного, знадобилося створення єдиної термінології та номенклатури речовин. Принципи хімічної номенклатури були вперше розроблені французькими хіміками А. Лавуазьє, А. Фурктуа, Л. Гітон і К. Бертолле в 1785р. В даний час Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії (ІЮПАК) координує діяльність вчених рядних країн та видає рекомендації щодо номенклятурс речовин та термінології, що використовується до хімії.
Для характеристики стану елементів у сполуках запроваджено поняття ступеня окислення.
ВИЗНАЧЕННЯ
Число електронів, зміщених від атома даного елемента або атома даного елемента в з'єднанні називають ступенем окиснення.
Позитивний ступінь окислення позначає число електронів, що зміщуються від даного атома, а негативний - число електронів, що зміщуються до цього атома.
З цього визначення випливає, що в з'єднаннях з неполярними зв'язками ступінь окислення елементів дорівнює нулю. Прикладами таких сполук можуть бути молекули, що складаються з однакових атомів (N 2 , H 2 , Cl 2 ).
Ступінь окислення металів в елементарному стані дорівнює нулю, тому що розподіл електронної густини в них рівномірно.
У простих іонних сполуках ступінь окислення елементів, що входять до них, дорівнює електричному заряду, оскільки при утворенні цих сполук відбувається практично повний перехід електронів від одного атома до іншого: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F - 1 3 , Zr +4 Br -1 4 .
При визначенні ступеня окислення елементів у з'єднаннях з полярними ковалентними зв'язками порівнюють значення їх електронегативностей. Оскільки при утворенні хімічного зв'язку електрони зміщуються до атомів більш електронегативних елементів, останні мають у сполуках негативний ступінь окислення.
Вищий ступінь окислення
Для елементів, що виявляють у своїх сполуках різні ступені окислення, існують поняття найвищого (максимального позитивного) і нижчого (мінімального негативного) ступенів окислення. Вища ступінь окислення хімічного елемента зазвичай чисельно збігається з номером групи у Періодичній системі Д. І. Менделєєва. Винятки становлять фтор (ступінь окислення дорівнює -1, а елемент розташований у VIIA групі), кисень (ступінь окислення дорівнює +2, а елемент розташований у VIA групі), гелій, неон, аргон (ступінь окислення дорівнює 0, а елементи розташовані у VIII групі), а також елементи підгрупи кобальту та нікелю (ступінь окислення дорівнює +2, а елементи розташовані у VIII групі), для яких вищий ступінь окислення виражається числом, значення якого нижче, ніж номер групи, до якої вони відносяться. У елементів підгрупи міді, навпаки, вищий ступінь окиснення більше одиниці, хоча вони і відносяться до I групи (максимальний позитивний ступінь окиснення міді та срібла дорівнює +2, золота +3).
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
- У сірковододі ступінь окислення сірки дорівнює (-2), а в простій речовині - сірці - 0:
Зміна рівня окислення сірки: -2 → 0, тобто. шостий варіант відповіді.
- У простій речовині - сірці - ступінь окислення сірки дорівнює 0, а в SO 3 - (+6):
Зміна ступеня окиснення сірки: 0 → 6, тобто. четвертий варіант відповіді.
- У сірчистій кислоті ступінь окислення сірки дорівнює (+4), а в простій речовині - сірці - 0:
1×2 +x+ 3×(-2) =0;
Зміна ступеня окиснення сірки: +4 → 0, тобто. Третій варіант відповіді.
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Валентність III і ступінь окислення (-3) азот виявляє у поєднанні: а) N 2 H 4 ; б) NH 3; в) NH4Cl; г) N 2 O 5 |
| Рішення | Для того, щоб дати правильну відповідь на поставлене питання, почергово визначатимемо валентність і ступінь окислення азоту в запропонованих сполуках. а) валентність водню завжди дорівнює I. Загальне числоодиниць валентності водню дорівнює 4-му (1×4 = 4). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 4/2 = 2, отже, валентність азоту дорівнює II. Цей варіант відповіді неправильний. б) валентність водню завжди дорівнює I. Загальна кількість одиниць валентності водню дорівнює 3-му (1×3 = 3). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 3/1 = 2, отже, валентність азоту дорівнює III. Ступінь окислення азоту в аміаку дорівнює (-3): Це вірна відповідь. |
| Відповідь | Варіант (б) |
Відеокурс «Отримай п'ятірку» включає всі теми, необхідні для успішної здачі ЄДІз математики на 60-65 балів. Повністю всі завдання 1-13 Профільного ЄДІ з математики. Підходить також для здачі Базового ЄДІ з математики. Якщо ви хочете здати ЄДІ на 90-100 балів, вам треба вирішувати частину 1 за 30 хвилин і без помилок!
Курс підготовки до ЄДІ для 10-11 класів, а також для викладачів. Все необхідне, щоб вирішити частину 1 ЄДІ з математики (перші 12 завдань) та задачу 13 (тригонометрія). А це понад 70 балів на ЄДІ, і без них не обійтись ні стобальнику, ні гуманітарію.
Уся необхідна теорія. Швидкі способирішення, пастки та секрети ЄДІ. Розібрано всі актуальні завдання частини 1 із Банку завдань ФІПД. Курс повністю відповідає вимогам ЄДІ-2018.
Курс містить 5 великих тем, по 2,5 години кожна. Кожна тема дається з нуля, це просто і зрозуміло.
Сотні завдань ЄДІ. Текстові завдання та теорія ймовірностей. Прості і легко запам'ятовуються алгоритми розв'язання задач. Геометрія. Теорія, довідковий матеріал, розбір всіх типів завдань ЄДІ Стереометрія. Хитрі прийомирішення, корисні шпаргалки, розвиток просторової уяви. Тригонометрія з нуля - до завдання 13. Розуміння замість зубріння. Наочне пояснення складних понять. Алгебра. Коріння, ступеня та логарифми, функція та похідна. База для вирішення складних завдань 2 частини ЄДІ.
