Электроотрицательность - способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.
Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:
График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.
При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.
Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.
Степень окисления
Степень окисления – условный заряд атома химического элемента в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.
Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?
1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.
2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:
3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:
Элемент | Степень окисления практически во всех соединениях | Исключения |
| водород H | +1 | Гидриды щелочных и щелочно-земельных металлов, например: |
| кислород O | -2 | Пероксиды водорода и металлов: Фторид кислорода — |
4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.
5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.
Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)
6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:
низшая степень окисления неметалла = № группы − 8
Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.
Нахождение степеней окисления элементов в различных соединениях
Пример 1
Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.
Решение:
Запишем формулу серной кислоты:
Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).
Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF 2). Расставим известные степени окисления:
Обозначим степень окисления серы как x :
Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:
Т.е. мы получили следующее уравнение:
Решим его:
Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.
Пример 2
Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.
Решение:
Запишем формулу дихромата аммония:
Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:
Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).
Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH 4 + (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости). Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH 4 + , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH 4 + и анионами Cr 2 O 7 2- .
Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:
Т.е. мы получаем два независимых уравнения:
Решая которые, находим x и y :
Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.
Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать .
Валентность
Валентность — число химических связей, которые образует атом элемента в химическом соединении.
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.
Валентные возможности атома зависят от количества:
1) неспаренных электронов
2) неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней
3) пустых электронных орбиталей валентного уровня
Валентные возможности атома водорода
Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:
Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.
Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.
Валентные возможности атома углерода
Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:
Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:
Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.
Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных () орбиталей валентного уровня. Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:
Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:
1) Для углерода возможны валентности II, III, IV
2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV
3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму
Валентные возможности атома азота
Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:
Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH 3), азотистой кислоты (HNO 2), треххлористого азота (NCl 3) и т.д.
Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор() предоставляет ее другому атому с вакантной () орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е. для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:
Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.
Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии. Атом азота не имеет d -подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO 3 или оксида азота N 2 O 5 ? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:
Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованная π -связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O 3 , бензола C 6 H 6 и т.д.
i>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:
1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV
2) Валентности V у азота не бывает!
3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N 2 O 5 азот имеет валентность IV +5 (!) .
4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH 4 + , азотная кислота и д.р ).
Валентные возможности фосфора
Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:
Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.
Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d -подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.
В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s -орбитали:
Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.
Валентные возможности атома кислорода
Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:
Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).
Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d -подуровня, распаривание электронов s и p- орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.
Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.
Валентные возможности атома серы
Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:
У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H 2 S.
Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d -подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p -подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:
В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO 2 , SF 4 , SOCl 2 и т.д.
При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s -подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:
В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO 3 , H 2 SO 4 , SO 2 Cl 2 и т.д.
Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.
Цель: Продолжить изучение валентности. Дать понятие степени окисления. Рассмотреть виды степеней окисления: положительная, отрицательная, нулевой значение. Научиться правильно, определять степени окисления атома в соединении. Научить приемам сравнения и обобщения изучаемых понятий; отработать умения и навыки в определении степени окисления по химическим формулам; продолжить развитие навыков самостоятельной работы; способствовать развитию логического мышления. Формировать чувство толерантности (терпимости и уважения к чужому мнению) взаимопомощи; осуществлять эстетическое воспитание (через оформление доски и тетрадей, при применении презентаций).
Ход урока
I . Организационный момент
Проверка учащихся к уроку.
II . Подготовка к уроку.
К уроку понадобятся: Периодическая система Д.И.Менделеева, учебник, рабочие тетради, ручки, карандаши.
III . Проверка домашнего задания .
Фронтальный опрос, некоторые будут работать у доски по карточкам, проведение теста, и подведением данного этапа будет интеллектуальная игра.
1. Работа с карточками.
1 карточка
Определить массовые доли (%) углерода и кислорода в углекислом газе (СО 2 ) .
2 карточка
Определить тип связи в молекуле Н 2 S. Написать структурную и электронную формулы молекулы.
2. Фронтальный опрос
- Что называется химической связью?
- Какие виды химических связей вы знаете?
- Какая связь называется ковалентной связью?
- Какие ковалентные связи выделяют?
- Что такое валентность?
- Как мы определяем валентность?
- Какие элементы (металлы и неметаллы) имеют изменчивую валентность?
3. Тестирование
1. В каких молекулах существует неполярная ковалентная связь?
2 . У какой молекулы при образовании ковалентно-неполярной связи образуется тройная связь?
3 . Как называется положительно заряженные ионы?
А) катионы
Б) молекулы
В) анионы
Г) кристаллы
4. В каком ряду располагаются вещества ионного соединения?
А) СН 4 , NН 3 , Мg
Б) СI 2 , МgО, NаСI
В) МgF 2 , NаСI, СаСI 2
Г) Н 2 S, НСI, Н 2 О
5 . Валентность определяются по:
А) по номеру группы
Б) по числу неспаренных электронов
В) по типу химической связи
Г) по номеру периода.
4. Интеллектуальная игра «Крестики-нолики »
Найдите вещества с ковалентно-полярной связь.
IV . Изучение нового материала
Степень окисления является важной характеристикой состояния атома в молекуле. Валентность, определяется по числу неспаренных электронов в атоме, орбиталями с неподеленными электронными парами, только в процессе возбуждения атома. Высшая валентность элемента, как правило, равна номеру группы. Степень окисления в соединениях с разными химическими связями образуется неодинаково.
Как образуется степень окисления у молекул с разными химическими связями?
1) В соединениях с ионной связью степени окисления элементов равно зарядам ионов.
2) В соединениях с ковалентной неполярной связью (в молекулах простых веществ) степень окисления элементов равно 0.
Н 2 0 , С I 2 0 , F 2 0 , S 0 , AI 0
3) У молекул с ковалентно-полярной связью степень окисления определяется подобно молекулам с ионной химической связью.
Степень окисления элемента – это условный заряд его атома, в молекуле, если считать, что молекула состоит из ионов.
Степень окисления атома в отличие от валентности имеет знак. Она может быть положительной, отрицательной и нулевой.
Валентность обозначатся римскими цифрами сверху символа элемента:
II |
I |
IV |
Fe |
Cu |
S , |
а степень окисления обозначается арабскими цифрами с зарядом над символам элемента (М g +2 , Са +2 , N а +1 , CI ˉ¹).
Положительная степень окисления – равна числу электронов, отданных данным атомам. Атом может отдать все валентные электроны (для главных групп это электроны внешнего уровня) соответствующее номеру группы, в котором находится элемент, проявляя при этом высшую степень окисления (исключение ОF 2).Например: высшая степень окисления главной подгруппы II группы равна +2 (Zn +2) Положительную степень проявляют как металлы и неметаллы, кроме F, He, Ne.Например: С+4 , Na +1 , Al +3
Отрицательная степень окисления равна числу электронов, принятых данным атомом, ее проявляют только неметаллы. Атомы неметаллов присоединяют столько электронов, сколько их не хватает до завершения внешнего уровня, проявляя при этом отрицательную степень.
У элементов главных подгрупп IV-VII групп минимальная степень окисления численно равна
Например:
Значение степени окисления между высшим и низшим степенями окислений называется промежуточными:
Высшая |
Промежуточные |
Низшая |
С +3 , С +2 ,С 0 ,С -2 |
||
В соединениях с ковалентной неполярной связью (в молекулах простых веществ) степень окисления элементов равно 0: Н 2 0 , С I 2 0 , F 2 0 , S 0 , AI 0
Для определения степени окисления атома в соединении следует учитывать ряд положений:
1. Степень окисления F во всех соединениях равна « -1». Na +1 F -1 , H +1 F -1
2. Степень окисления кислорода в большинстве соединений равна (-2) исключение: О F 2 , где степень окисления О +2 F -1
3. Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1, кроме соединения с активными металлами, где степень окисления (-1) : Na +1 H -1
4.Степень окисления металлов главных подгрупп I , II , III групп во всех соединениях равна +1,+2,+3.
Элементы с постоянной степенью окисления это:
А) щелочные металлы (Li, Na, K, Pb, Si, Fr) - степень окисления +1
Б) элементы II главной подгруппы группы кроме (Hg): Be, Mg, Ca, Sr, Ra, Zn, Cd - степень окисления +2
В) элемент III группы: Al - степень окисления +3
Алгоритм составления формулы в соединениях:
1 способ
1 . На первом месте пишется элемент с меньшей электроотрицательностью, на втором с большей электроотрицательностью.
2 . Элемент, написанный на первом месте имеет положительный заряд «+», а на втором с отрицательным зарядом «-».
3 . Указать для каждого элемента степень окисления.
4 . Найти общее кратное значение степеней окисления.
5. Разделить наименьшее общее кратное на значение степеней окисления и полученные индексы приписать внизу справа после символа соответствующего элемента.
6. Если степень окисления четное – нечетное, то они становятся рядом с символом справа внизу крест – накрест без знака «+» и «-»:
7. Если степень окисления имеет четное значение, то их сначала нужно сократить на наименьшее значение степени окисления и поставить крест – накрест без знака «+» и «-»: С +4 О -2
2 способ
1 . Обозначим степень окисления N через Х, указать степень окисления О: N 2 x O 3 -2
2 . Определить сумму отрицательных зарядов, для этого степень окисления кислорода умножаем на индекс кислорода: 3· (-2)= -6
3 .Чтобы молекула была электронейтральной нужно определить сумму положительных зарядов: Х2 = 2Х
4 .Составить алгебраическое уравнение:
N 2 + 3 O 3 –2
V . Закрепление
1) Проведение закрепления темы игрой, которое называется «Змейка».
Правила игры: учитель раздает карточки. На каждой карточке написан один вопрос и один ответ на другой вопрос.
Учитель начинает игру. Зачитает вопрос, ученик, у которого на карточке есть, ответ на мой вопрос поднимает руку и говорит ответ. Если ответ правильный, то он читает свой вопрос и у того ученика у которого есть ответ на этот вопрос поднимает руку и отвечает и т.д. Образуется змейка правильных ответов.
- Как и где обозначается степень окисления у атома химического элемента?
Ответ : арабской цифрой над символом элемента с зарядом «+» и «-». - Какие виды степеней окисления выделяют у атомов химических элементов?
Ответ : промежуточная - Какую степень проявляет металлы?
Ответ : положительная, отрицательная, нулевая. - Какую степень проявляют простые вещества или молекулы с неполярной ковалентной связью.
Ответ : положительная - Какой заряд имеют катионы и анионы?
Ответ : нулевое. - Как называется степень окисления, которая стоит между положительным и отрицательным степенями окисления.
Ответ : положительный,отрицательный
2) Написать формулы веществ состоящих из следующих элементов
- N и H
- Р и О
- Zn и Cl
3) Найти и зачеркнуть вещества, не имеющие переменчивую степень окисления.
Na, Cr, Fe, K, N, Hg, S, Al, C
VI . Итог урока.
Выставление оценок с комментариями
VII . Домашнее задание
§23, стр.67-72, задание после §23-стр 72 №1-4 выполнить.
Формальный заряд атома в соединениях — вспомогательная величина, обычно ее используют в описаниях свойств элементов в химии. Этот условный электрический заряд и есть степень окисления. Его значение изменяется в результате многих химических процессов. Хотя заряд является формальным, он ярко характеризует свойства и поведение атомов в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР).
Окисление и восстановление
В прошлом химики использовали термин «окисление», чтобы описать взаимодействие кислорода с другими элементами. Название реакций произошло от латинского наименования кислорода - Oxygenium. Позже выяснилось, что другие элементы тоже окисляют. В этом случае они восстанавливаются — присоединяют электроны. Каждый атом при образовании молекулы изменяет строение своей валентной электронной оболочки. В этом случае появляется формальный заряд, величина которого зависит от количества условно отданных или принятых электронов. Для характеристики этой величины ранее применяли английский химический термин "oxidation number", который в переводе означает «окислительное число». При его использовании исходят из допущения, что связывающие электроны в молекулах или ионах принадлежат атому, обладающему более высоким значением электроотрицательности (ЭО). Способность удерживать свои электроны и притягивать их от других атомов хорошо выражена у сильных неметаллов (галогенов, кислорода). Противоположными свойствами обладают сильные металлы (натрий, калий, литий, кальций, другие щелочные и щелочноземельные элементы).
Определение степени окисления
Степенью окисления называют заряд, который атом приобрел бы в том случае, если бы принимающие участие в образовании связи электроны полностью сместились к более электроотрицательному элементу. Есть вещества, не имеющие молекулярного строения (галогениды щелочных металлов и другие соединения). В этих случаях степень окисления совпадает с зарядом иона. Условный или реальный заряд показывает, какой процесс произошел до того, как атомы приобрели свое нынешнее состояние. Положительное значение степени окисления — это общее количество электронов, которые были удалены из атомов. Отрицательное значение степени окисления равно числу приобретенных электронов. По изменению состояния окисления химического элемента судят о том, что происходит с его атомами в ходе реакции (и наоборот). По цвету вещества определяют, какие произошли перемены в состоянии окисления. Соединения хрома, железа и ряда других элементов, в которых они проявляют разную валентность, окрашены неодинаково.
Отрицательное, нулевое и положительное значения степени окисления
Простые вещества образованы химическими элементами с одинаковым значением ЭО. В этом случае связывающие электроны принадлежат всем структурным частицам в равной степени. Следовательно, в простых веществах элементам несвойственно состояние окисления (Н 0 2 , О 0 2 , С 0). Когда атомы принимают электроны или общее облако смещается в их сторону, заряды принято писать со знаком "минус". Например, F -1 ,О -2 , С -4 . Отдавая электроны, атомы приобретают реальный или формальный положительный заряд. В оксиде OF 2 атом кислорода отдает по одному электрону двум атомам фтора и находится в состоянии окисления О +2 . Считают, что в молекуле или многоатомном ионе более электроотрицательные атомы получают все связывающие электроны.
Сера — элемент, проявляющий разные валентность и степени окисления
Химические элементы главных подгрупп зачастую проявляют низшую валентность равную VIII. Например, валентность серы в сероводороде и сульфидах металлов — II. Для элемента характерны промежуточные и высшая валентность в возбужденном состоянии, когда атом отдает один, два, четыре или все шесть электронов и проявляет соответственно валентности I, II, IV, VI. Такие же значения, только со знаком "минус" или "плюс", имеют степени окисления серы:
- в сульфиде фтора отдает один электрон: -1;
- в сероводороде низшее значение: -2;
- в диоксиде промежуточное состояние: +4;
- в триоксиде, серной кислоте и сульфатах: +6.
В своем высшем состоянии окисления сера только принимает электроны, в низшей степени — проявляет сильные восстановительные свойства. Атомы S +4 могут проявлять в соединениях функции восстановителей или окислителей в зависимости от условий.
Переход электронов в химических реакциях
При образовании кристалла поваренной соли натрий отдает электроны более электроотрицательному хлору. Степени окисления элементов совпадают с зарядами ионов: Na +1 Cl -1 . Для молекул, созданных путем обобществления и смещения электронных пар к более электроотрицательному атому, применимы только представления о формальном заряде. Но можно предположить, что все соединения состоят из ионов. Тогда атомы, притягивая электроны, приобретают условный отрицательный заряд, а отдавая, — положительный. В реакциях указывают, какое число электронов смещается. Например, в молекуле диоксида углерода С +4 О - 2 2 указанный в верхнем правом углу индекс при химическом символе углерода отображает количество электронов, удаленных из атома. Для кислорода в этом веществе характерно состояние окисления -2. Соответствующий индекс при химическом знаке О — количество добавленных электронов в атоме.
Как подсчитать степени окисления
Подсчет количества отданных и присоединенных атомами электронов может отнять много времени. Облегчают эту задачу следующие правила:
- В простых веществах степени окисления равны нулю.
- Сумма окисления всех атомов или ионов в нейтральном веществе равна нулю.
- В сложном ионе сумма степеней окисления всех элементов должна соответствовать заряду всей частицы.
- Более электроотрицательный атом приобретает отрицательное состояние окисления, которое записывают со знаком "минус".
- Менее электроотрицательные элементы получают положительные степени окисления, их записывают со знаком "плюс".
- Кислород в основном проявляет степень окисления, равную -2.
- Для водорода характерное значение: +1, в гидридах металлов встречается: Н-1.
- Фтор — наиболее электроотрицательный из всех элементов, его состояние окисления всегда равно -4.
- Для большинства металлов окислительные числа и валентности совпадают.
Степень окисления и валентность
Большинство соединений образуются в результате окислительно-восстановительных процессов. Переход или смещение электронов от одних элементов к другим приводит к изменению их состояния окисления и валентности. Зачастую эти величины совпадают. В качестве синонима к термину «степень окисления» можно использовать словосочетание «электрохимическая валентность». Но есть исключения, например, в ионе аммония азот четырехвалентен. Одновременно атом этого элемента находится в состоянии окисления -3. В органических веществах углерод всегда четырехвалентен, но состояния окисления атома С в метане СН 4 , муравьином спирте СН 3 ОН и кислоте НСООН имеют другие значения: -4, -2 и +2.
Окислительно-восстановительные реакции
К окислительно-восстановительным относятся многие важнейшие процессы в промышленности, технике, живой и неживой природе: горение, коррозия, брожение, внутриклеточное дыхание, фотосинтез и другие явления.
При составлении уравнений ОВР подбирают коэффициенты, используя метод электронного баланса, в котором оперируют следующими категориями:
- степени окисления;
- восстановитель отдает электроны и окисляется;
- окислитель принимает электроны и восстанавливается;
- число отданных электронов должно быть равно числу присоединенных.
Приобретение электронов атомом приводит к понижению его степени окисления (восстановлению). Утрата атомом одного или нескольких электронов сопровождается повышением окислительного числа элемента в результате реакций. Для ОВР, протекающих между ионами сильных электролитов в водных растворах, чаще используют не электронный баланс, а метод полуреакций.
Для подсчета степеней окисления имеется ряд простых правил:
- Степень окисления элемента в составе простого вещества принимается равной нулю. Если вещество находится в атомарном состоянии, то степень окисления его атомов также равна нулю.
- Ряд элементов проявляют в соединениях постоянную степень окисления. Среди них фтор (−1), щелочные металлы (+1), щелочноземельные металлы, бериллий, магний и цинк (+2), алюминий (+3).
- Кислород, как правило, проявляет степень окисления −2 за исключением пероксидов $H_2O_2$ (−1) и фторида кислорода $OF_2$ (+2).
- Водород в соединении с металлами (в гидридах) проявляет степень окисления −1, а в соединениях с неметаллами, как правило, +1 (кроме $SiH_4, B_2H_6$).
- Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равной нулю, а в сложном ионе - заряду этого иона.
- Высшая положительная степень окисления равна, как правило, номеру группы элемента в периодической системе. Так, сера (элемент VIA группы), проявляет высшую степень окисления +6, азот (элемент V группы) - высшую степень окисления +5, марганец - переходный элемент VIIБ группы - высшую степень окисления +7. Это правило не распространяется на элементы побочной подгруппы первой группы, степени окисления которых обычно превышают +1, а также на элементы побочной подгруппы VIII группы. Также не проявляют своих высших степеней окисления, равных номеру группы, элементы кислород и фтор.
- Низшая отрицательная степень окисления для элементов-неметаллов определяется вычитанием номера группы из числа 8. Так, сера (элемент VIA группы), проявляет низшую степень окисления −2, азот (элемент V группы) - низшую степень окисления −3.
На основании приведенных выше правил можно найти степень окисления элемента в любом веществе.
Найти степень окисления серы в кислотах:
а) H$_2$SO$_3$,
б) H$_2$S$_2$O$_5$,
в) H$_2$S$_3$O$_{10}$.
Решение
Степень окисления водорода равна +1, кислорода −2. Обозначим степень окисления серы как x. Тогда можно записать:
$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}\overset{-2}{O_3} $
$2\cdot$(+1) + x + 3$\cdot$(−2) = 0 x = +4
$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}_2\overset{-2}{O_5}$
2$\cdot$(+1) + 2x + 5$\cdot$(−2) = 0 x = +4
$\overset{+1}{H}_2\overset{x}{S}_3\overset{-2}{O_10}$
2$\cdot$(+1) + 3x + 10$\cdot$(−2) = 0 x = +6
Таким образом, в первых двух кислотах степень окисления серы одинакова и равна +4, в последней кислоте +6.
Найти степень окисления хлора в соединениях:
б) $Ca(ClO_4)_2$,
в) $Al(ClO_2)_3$.
Решение
Сначала найдем заряд сложных ионов, в состав которых входит хлор, помня при этом, что молекула в целом электронейтральна.
$\hspace{1.5cm}\overset{+1}{H}\overbrace{ClO_3} \hspace{2.5cm} \overset{+2}{Ca}\overbrace{(ClO_4)_2} \hspace{2.5cm} \overset{+3}{Al}\overbrace{(ClO_2)_3} $
$\hspace{1.5cm}$+1 +x = 0 $\hspace{2.3cm}$ +2 +2x = 0 $\hspace{2.5cm}$ +3 + 3x = 0
$\hspace{1.5cm}$x = - 1 $\hspace{2.7cm}$ x = - 1 $\hspace{2.9cm}$ x = - 1
$\hspace{1.5cm}(\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_3})^{-1} \hspace{2.4cm} (\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_4})^{-1} \hspace{2.7cm} (\overset{x}{Cl} \overset{-2}{O_2})^{-1}$
$\hspace{0.5cm}1 \cdot x + 3\cdot (−2) = -1 \hspace{0.9cm}1 \cdot x + 4\cdot (−2) = -1 \hspace{1.2cm}1 \cdot x + 2\cdot (−2) = -1$
$\hspace{1.5cm} x = +5 \hspace{2.8cm} x = +7 \hspace{3.2cm} x = +3$
АЛГОРИТМ ВЫЧИСЛЕНИЯ ВАЛЕНТНОСТИ ЭЛЕМЕНТА В СОЕДИНЕНИИ
Зачастую численные значения степени окисления и валентности совпадают. Однако в некоторых соединениях, например в простых веществах, их значения могут различаться.
Так, молекула азота образована двумя атомами азота, связанными тройной связью. Связь образована тремя общими электронными парами за счет присутствия трех неспаренных электронов на 2p-подуровне атома азота. То есть валентность азота равна трем. В то же время $N_2$ - простое вещество, а значит, степень окисления этой молекулы равна нулю.
Аналогично, в молекуле кислорода валентность равна двум, а степень окисления - 0; в молекуле водорода валентность - I, степень окисления - 0.
Так же как в простых веществах, степень окисления и валентность часто отличаются в органических соединениях. Подробнее это будет рассмотрено в теме «ОВР в органической химии».
Для определения валентности в сложных соединениях сначала нужно построить структурную формулу. В структурной формуле одна химическая связь изображается одной «черточкой».
При построении графических формул нужно учитывать ряд факторов:
образовывать определённое число
с атомами других элементов.
Валентность атомов фтора всегда равна I
Li, Na, K, F, H , Rb , Cs - одновалентны;
Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Cd, Zn, O , Ra - обладают валентностью, равной II;
Al, B Ga, In - трехвалентны.
Максимальная валентность для атомов данного элемента совпадает с номером группы, в которой он находится в Периодической системе. Например, для Са это II , для серы - VI , для хлора - VII . Исключений из этого правила тоже немало:
Элемент
VI
группы, О, имеет валентность II (в H
3
O+ - III);
- одновалентен F(вместо
VII
);
- двух- и трехвалентно обычно железо, элемент VIII группы;
- N может удержать возле себя только 4 атома, а не 5, как следует из номера группы;
- одно- и двухвалентна медь, расположенная в I группе.
Минимальное значение валентности для элементов, у которых она переменная, определяется по формуле: № группы в ПС - 8. Так, низшая валентность серы 8 - 6 = 2, фтора и других галогенов - (8 - 7) = 1, азота и фосфора - (8 - 5)= 3 и так далее.
В соединении сумма единиц валентности атомов одного элемента должна соответствовать суммарной валентности другого (или общее число валентностей одного химического элемента равно общему числу валентностей атомов другого химического элемента). Так, в молекуле воды Н-О-Н валентность Н равна I, таких атомов 2, значит, всего единиц валентности у водорода 2 (1×2=2). Такое же значение имеет и валентность кислорода.
При соединении металлов с неметаллами последние проявляют низшую валентность
В соединении, состоящем из атомов двух видов, элемент, расположенный на втором месте, обладает низшей валентностью. Так при соединении неметаллов между собой, низшую валентность проявляет тот элемент, который находится в ПСХЭ Менделеева правее и выше, а высшую соответственно левее и ниже.
Валентность кислотного остатка совпадает с количеством атомов Н в формуле кислоты, валентность группы OH равна I.
В соединении, образованном атомами трех элементов, тот атом, который находится в середине формулы, называют центральным. Непосредственно с ним связаны атомы О, а с кислородом образуют связи остальные атомы.
Правила определения степени окисления химических элементов.
Степень окисления - это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединения состоят только из ионов.
Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, причём знак ставится перед числом:-1, -2, +3, в отличие от заряда иона, где знак ставится после числа.
Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные, высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключая некоторые элементы: золото Au
+3
(I группа), Cu
+2
(II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru).
Степени неметаллов могут быть как положительными так и отрицательными, в зависимости от того с каким атомом он соединён: если с атомом металла то всегда отрицательная, если с неметаллом-то может быть и +, и -. При определении степеней окисления необходимо использовать следующие правила:
Степень окисления любого элемента в простом веществе равна 0.
Сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав частицы (молекул, ионов и т. д.) равна заряду этой частицы.
Сумма степеней окисления всех атомов в составе нейтральной молекулы равна 0.
Если соединение образовано двумя элементами, то у элемента с большей электроотрицательностью степень окисления меньше нуля, а у элемента с меньшей электроотрицательностью – больше нуля.
Максимальная положительная степень окисления любого элемента равна номеру группы в периодической системе элементов, а минимальная отрицательная равна N– 8, где N – номер группы.
Степень окисления фтора в соединениях равна -1.
Степень окисления щелочных металлов (лития, натрия, калия, рубидия, цезия) равна +1.
Степень окисления металлов главной подгруппы II группы периодической системы (магния, кальция, стронция, бария) равна +2.
Степень окисления алюминия равна +3.
Степень окисления водорода в соединениях равна +1 (исключение – соединения с металлами NaH, CaH 2 , в этих соединениях степень окисления у водорода равна -1).
Степень окисления кислорода равна –2 (исключения – перекиси H 2 O 2 , Na 2 O 2 , BaO 2 в них степень окисления кислорода равна -1, а в соединении с фтором - +2).
В молекулах алгебраическая сумма степеней окисления элементов с учётом числа их атомов равна 0.
Пример.
Определить степени окисления в соединении K
2
Cr
2
O
7
.
У двух химических элементов калия и кислорода степени окисления постоянны и равны соответственно +1 и -2. Число степеней окисления у кислорода равна (-2)·7=(-14), у калия (+1)·2=(+2). Число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Следовательно (-14)+(+2)=(-12). Значит у атома хрома число положительных степеней равно 12, но атомов 2, значит на один атом приходится (+12):2=(+6), записываем степени окисленя над элементами
К
+
2
Cr
+6
2
O
-2
7