Степень окисления элемента
Степень окисления элементов является важной темой при изучении химии в средней школе. Тема несложная, однако в ней есть особенности, которые нередко вызывают затруднения у школьников. Рассмотрим их вместе с экспертами
Учение о степени окисления элементов — одна из основополагающих тем неорганической химии. Знать степени окисления элементов нужно для классификации химических веществ и описании их свойств, без них невозможно было бы создать международную номенклатуру химических элементов. Даже составить формулы соединений не получится без знания степени окисления.
Впервые современный способ обозначения степени окисления элементов предложил в 1934 году немецкий химик Альфред Шток. Для наглядности и удобства в использовании был разработан также список степеней окисления элементов, основанный на таблицах Гринвуда и Д. И. Менделеева.
Что такое степень окисления
Атом вещества, как известно, состоит из ядра и электронов. В молекуле вещества, образованной из нескольких атомов, электроны могут перетягиваться от одного ядра к другому. Принято считать, что атом, притягивающий электроны, обладает более высокой электроотрицательностью, а атом, отдающий электроны, имеет более низкую электроотрицательность.
Степень окисления (окислительное число) – это условная величина заряда, которую приобретает атом в результате перемещения электронов, она указывает на состояние окисления отдельного атома в молекуле. Степень окисления является условной величиной потому, что предполагается полный переход свободных электронов от одного атома к другому и наличие только ионной связи.
Полезная информация о степени окисления
| Положительная степень окисления | Возникает у атома, который обладает меньшей электроотрицательностью и отдает электроны. |
| Отрицательная степень окисления | Возникает у атома, обладающего большей электроотрицательностью и поэтому притягивающего электроны. |
| Нулевая степень окисления | Существует у простых веществ (например, О2), у которых не происходит смещение электронов. |
Как определить степень окисления
Чтобы определить степень окисления элемента, следует обратить внимание на его электроотрицательность. Ее можно узнать, используя таблицу Менделеева либо шкалу относительной электроотрицательности. Мы уже выяснили ранее, что тот химический элемент, который притягивает электроны, получает отрицательный заряд, и его электроотрицательность в соединении будет выше.
Правила определения степени окисления
Чтобы лучше понять тему и уметь верно определять степени окисления элемента, запомните следующие правила.
- В электронейтральной молекуле сумма всех окислительных чисел равна нулю.
- В ионе сумма всех степеней окисления равняется заряду иона.
- У водорода степень окисления во всех соединения равна +1, за исключением гидридов, где она составляет -1.
- У кислорода окислительное число в оксидах равно -2, в соединениях со фтором +2, а в пероксидах -1.
- У металлов степень окисления всегда выражается положительным числом.
- У неметаллов в соединениях с металлами и водородом степень окисления всегда отрицательная.
Алгоритм определения степени окисления по формуле
Использование следующего алгоритма позволяет упростить определение окислительного числа по формуле химического соединения.
Шаг 1: сначала записываем формулу вещества, например, N2O5.
Шаг 2: устанавливаем степень окисления элемента, имеющего постоянное значение (О = -2) и неизвестное окислительное число другого элемента (N = х).
Шаг 3: вычисляем значение х:
2х + 5 • (-2) = 0
2х – 10 = 0
2х = 10
х = 5
Следовательно, степень окисления N в этом оксиде равна +5.
Степень окисления в нескольких элементах
Часто бывают неизвестны окислительные числа двух и более элементов в соединении. Как быть в таком случае? Нужно представить сложную молекулу в виде более простых частей, в которые входят элементы с известными степенями окисления.
Например, нужно определить окислительные числа всех элементов в формуле (NН4)2SO4. Представим это вещество как соединение двух ионов с известными зарядами – NН4 = +1, SO4 = -2). Зная степень окисления водорода и кислорода, можем использовать алгоритм:
1) для иона NН4 с зарядом +1:
х + 4 • 1 = 1
х = -3 (степень окисления азота -3)
2) для иона SO4 с зарядом -2:
х + 4 • (-2) = -2
х = 6 (степень окисления серы +6).
Степень окисления в органических соединениях
Сложность определения окислительных чисел в органических соединениях состоит в том, что в состав этих веществ входит углерод, имеющий большое количество неполярных связей. В случае одного атома углерода можно использовать стандартный алгоритм. Например, нужно определить степень окисления углерода в молекуле Н3С – ОН:
х + 4 • 1 + (-2) = 0
х + 4 – 2 = 0
х = -2 (окислительное число углерода -2)
В том случае, когда атомов углерода в органическом соединении два и более, используется графический метод. Для этого рисуют структурную формулу соединения, стрелками изображают химические связи и смещения атомов (между атомами углерода все связи считаются неполярными). Затем подсчитывают, сколько стрелок ведет к данному атому углерода (это будет количество минусов) и от него (количество плюсов). Степени окисления атомов углерода считают, суммируя плюсы и минусы.
Задачи по теме «Степень окисления элемента»
Закрепим изученный материал, решив несколько задач.
Задача 1
Определите степень окисления азота в соединении NН3.
Задача 2
Вычислите окислительные числа элементов в молекуле К2Сr2O7.
Задача 3
В каком из соединений хлор имеет степень окисления +7: НСl, КСlО, НСlО4?
Ответы к задачам
Давайте вместе проверим решения.
Задача 1
Окислительное число водорода +1. Составляем формулу:
х + 3 • 1 = 0
х + 3 = 0
х = -3
Ответ: степень окисления азота -3.
Задача 2
Степени окисления калия и кислорода известны и составляют соответственно +1 и -2:
2х + 2 • 1 + 7 •(-2) = 0
2х +2 -14 = 0
2х = 12
х = 6
Ответ: окислительное число хрома +6.
Задача 3
Определяем степени окисления каждого вещества в отдельности:
а) НСl
х + 1 = 0
х = -1
б) КСlО
х + 1 + (-2) = 0
х – 1 = 0
х = 1
в) НСlО4
х + 1 + 4 • (-2) = 0
х – 7 = 0
х = 7
Ответ: хлор имеет степень окисления +7 в соединении НСlО4.
3 темы, которые стоит запомнить
Предлагаем вам рассмотреть важные темы, без запоминания которых школьный курс химии будет неполным.
- Как пользоваться таблицей Менделеева
- Строение и свойства кристаллических решеток
- Что такое валентность
Популярные вопросы и ответы
У каких элементов постоянная степень окисления?
Отвечает Ольга Миколайчук, ассистент кафедры химии Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени И. П. Павлова, преподаватель химии в колледже ПСПбГМУ имени И. П. Павлова, преподаватель курсов подготовки к ЕГЭ:
Постоянная степень окисления достаточно интересное понятие. Конечно, постоянной можно назвать степень окисления 0 у простых веществ (О2, К, Al). Также постоянной в сложных соединениях она может быть у кислорода (-2), у металлов 1, 2 группы. Но не все так просто, существует ряд исключений, например оксид фтора OF2, где фтор является более электроотрицательным, поэтому может перетягивать электроны кислорода на себя и тем самым создавать на нем положительный заряд.
Отвечает Светлана Гусарова, старший преподаватель химии методического отдела онлайн-школы «ИнтернетУрок»:
Степень окисления простых веществ равна 0 (Н20, Mg0). Постоянную степень окисления имеют элементы главных подгрупп I и II групп (IA и IIА групп), алюминий, фтор, кислород и водород. Элементы IA групп называют щелочными металлами, элементы IIA групп – щелочноземельными. Степень окисления металлов в соединениях всегда положительная, у металлов IA групп, IIA групп, алюминия соответственно равна +1, +2, +3 (Na2+1O, Ca+2Cl2, Al2+3S3-2). Неметаллы могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления. Степень окисления фтора в соединениях всегда равна -1 (HF-1, CaF-1). У кислорода степень окисления во всех соединениях равна -2 (NO-2, Al2O3-2), исключение составляют фторид кислорода и перекисные соединения (O+2F2-1, H2+1O2-1). Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1, а с металлами равна -1: (NaH-1, H+1Cl).
Постоянная степень окисления достаточно интересное понятие. Конечно, постоянной можно назвать степень окисления 0 у простых веществ (О2, К, Al). Также постоянной в сложных соединениях она может быть у кислорода (-2), у металлов 1, 2 группы. Но не все так просто, существует ряд исключений, например оксид фтора OF2, где фтор является более электроотрицательным, поэтому может перетягивать электроны кислорода на себя и тем самым создавать на нем положительный заряд.
Отвечает Светлана Гусарова, старший преподаватель химии методического отдела онлайн-школы «ИнтернетУрок»:
Степень окисления простых веществ равна 0 (Н20, Mg0). Постоянную степень окисления имеют элементы главных подгрупп I и II групп (IA и IIА групп), алюминий, фтор, кислород и водород. Элементы IA групп называют щелочными металлами, элементы IIA групп – щелочноземельными. Степень окисления металлов в соединениях всегда положительная, у металлов IA групп, IIA групп, алюминия соответственно равна +1, +2, +3 (Na2+1O, Ca+2Cl2, Al2+3S3-2). Неметаллы могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления. Степень окисления фтора в соединениях всегда равна -1 (HF-1, CaF-1). У кислорода степень окисления во всех соединениях равна -2 (NO-2, Al2O3-2), исключение составляют фторид кислорода и перекисные соединения (O+2F2-1, H2+1O2-1). Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1, а с металлами равна -1: (NaH-1, H+1Cl).
Что такое высшая и низшая степень окисления?
Ольга Миколайчук:
Любая степень окисления, прежде всего, это количество электронов. Электрон заряжен отрицательно, поэтому элемент должен перетянуть на себя электрон, чтобы создать на себе заряд со знаком минус. Число орбиталей, мест под электроны, тоже ограниченное количество, на S орбитали может «уместиться» только 2 электрона, поэтому в зависимости от положения элемента в таблице можно сделать вывод о его минимальной степени окисления. Давайте подумаем: если элемент из I, II группы, значит, это элемент с низкой способностью перетягивать электроны (низкая электроотрицательность). Какой вывод из этого можно сделать? Что он может только отдавать свои электроны, но никак не притягивать дополнительный электрон. Это значит, что металлы I и II группы имеют минимальную степень окисления 0, потому что не могут перетянуть дополнительный «минус» на себя. А неметаллы обладают высокой электроотрицательностью, максимальная наполняемость S и P орбиталей – 8 электронов, а номер группы указывает на количество электронов у элемента. Соответственно, если отнять от номера группы число «максимальной заполняемости», мы получим минимальную степень окисления. Например, у кислорода группа 6, минимальная степень окисления 6 — 8 = -2.. Следовательно, минимальная степень окисления неметалла кислорода -2.
Светлана Гусарова:
Высшая степень окисления – заряд, который приобретает атом в результате отдачи максимального количества валентных электронов. Высшая степень окисления совпадает с номером группы. Например, у азота высшая степень окисления равна +5, так как он находится в V группе. Низшая степень окисления – заряд, который приобретает атом в результате приема максимального количества электронов на внешний электронный слой. Низшая степень окисления неметаллов определяется числом электронов, которых атому не хватает до завершения внешнего электронного уровня. Ее можно вычислить, если из номера группы отнять число 8. Так, низшая степень окисления азота будет равна -3 (5 — 8 = -3).
Любая степень окисления, прежде всего, это количество электронов. Электрон заряжен отрицательно, поэтому элемент должен перетянуть на себя электрон, чтобы создать на себе заряд со знаком минус. Число орбиталей, мест под электроны, тоже ограниченное количество, на S орбитали может «уместиться» только 2 электрона, поэтому в зависимости от положения элемента в таблице можно сделать вывод о его минимальной степени окисления. Давайте подумаем: если элемент из I, II группы, значит, это элемент с низкой способностью перетягивать электроны (низкая электроотрицательность). Какой вывод из этого можно сделать? Что он может только отдавать свои электроны, но никак не притягивать дополнительный электрон. Это значит, что металлы I и II группы имеют минимальную степень окисления 0, потому что не могут перетянуть дополнительный «минус» на себя. А неметаллы обладают высокой электроотрицательностью, максимальная наполняемость S и P орбиталей – 8 электронов, а номер группы указывает на количество электронов у элемента. Соответственно, если отнять от номера группы число «максимальной заполняемости», мы получим минимальную степень окисления. Например, у кислорода группа 6, минимальная степень окисления 6 — 8 = -2.. Следовательно, минимальная степень окисления неметалла кислорода -2.
Светлана Гусарова:
Высшая степень окисления – заряд, который приобретает атом в результате отдачи максимального количества валентных электронов. Высшая степень окисления совпадает с номером группы. Например, у азота высшая степень окисления равна +5, так как он находится в V группе. Низшая степень окисления – заряд, который приобретает атом в результате приема максимального количества электронов на внешний электронный слой. Низшая степень окисления неметаллов определяется числом электронов, которых атому не хватает до завершения внешнего электронного уровня. Ее можно вычислить, если из номера группы отнять число 8. Так, низшая степень окисления азота будет равна -3 (5 — 8 = -3).
Почему тему «Степень окисления элемента» изучают в 8 классе?
Ольга Миколайчук:
В 8 классе изучают понятия «электрон» и «электроотрицательность». Эти понятия напрямую связаны со степенью окисления. Если школьник понял понятие электроотрицательности, электрона и атомных орбиталей, то ему не составит труда разобраться в степенях окисления. Это фундаментальные понятия, которые лежат в основе построения любой химической структуры. Сложно составить формулу поваренной соли, если не знать степени окисления натрия и хлора (хлор VII группа, 7 — 8 = -1; натрий I группа, 1 электрон на внешнем уровне, следовательно NaCl).
Светлана Гусарова:
Изучение темы «Степень окисления» необходимо для понимания реакций окисления и восстановления, которые происходят в химических реакциях, и их влияния на жизнь. Окислительно-восстановительные реакции сопровождают многие процессы, осуществляемые в промышленности и в жизни человека. Например, окисление и восстановление используются для производства стали, при сжигании топлива в двигателях, очистки веществ и прочего. Окислительно-восстановительные реакции также являются основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма. Так, дыхание, обмен веществ, фотосинтез сопровождаются процессами окисления и восстановления.
В 8 классе изучают понятия «электрон» и «электроотрицательность». Эти понятия напрямую связаны со степенью окисления. Если школьник понял понятие электроотрицательности, электрона и атомных орбиталей, то ему не составит труда разобраться в степенях окисления. Это фундаментальные понятия, которые лежат в основе построения любой химической структуры. Сложно составить формулу поваренной соли, если не знать степени окисления натрия и хлора (хлор VII группа, 7 — 8 = -1; натрий I группа, 1 электрон на внешнем уровне, следовательно NaCl).
Светлана Гусарова:
Изучение темы «Степень окисления» необходимо для понимания реакций окисления и восстановления, которые происходят в химических реакциях, и их влияния на жизнь. Окислительно-восстановительные реакции сопровождают многие процессы, осуществляемые в промышленности и в жизни человека. Например, окисление и восстановление используются для производства стали, при сжигании топлива в двигателях, очистки веществ и прочего. Окислительно-восстановительные реакции также являются основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма. Так, дыхание, обмен веществ, фотосинтез сопровождаются процессами окисления и восстановления.
В каком задании ЕГЭ проверяется умение определять степень окисления?
Ольга Миколайчук:
Из заданий ЕГЭ по определению степени окисления, прежде всего, можно отметить задание № 3, это скорее даже уровень ОГЭ после 9 класса. Задания, связанные со степенями окисления, – это определение окислителя и восстановится, к ним относятся задания 19 и 29. Но говоря более точно, без знания степени окисления и понимания свойств элементов в таблице Менделеева невозможно решить ни одно задание ЕГЭ по химии.
Светлана Гусарова:
Умение определять степень окисления понадобится при выполнении заданий базового уровня № 3 и № 19, а также высокого уровня сложности № 29, которые входят в блок «Теоретические основы химии» ЕГЭ по химии.
Из заданий ЕГЭ по определению степени окисления, прежде всего, можно отметить задание № 3, это скорее даже уровень ОГЭ после 9 класса. Задания, связанные со степенями окисления, – это определение окислителя и восстановится, к ним относятся задания 19 и 29. Но говоря более точно, без знания степени окисления и понимания свойств элементов в таблице Менделеева невозможно решить ни одно задание ЕГЭ по химии.
Светлана Гусарова:
Умение определять степень окисления понадобится при выполнении заданий базового уровня № 3 и № 19, а также высокого уровня сложности № 29, которые входят в блок «Теоретические основы химии» ЕГЭ по химии.
