Максимальні ступені окислення елементів. Основи хімії: Ступінь окиснення

Електронегативність - здатність атома будь-якого хімічного елемента у поєднанні відтягувати він електрони пов'язаних із ним атомів інших хімічних елементів.

Електронегативність, як і інші властивості атомів хімічних елементів, змінюється із збільшенням порядкового номера елемента періодично:

Графік вище показує періодичність зміни електронегативності елементів основних підгруп залежно від порядкового номера елемента.

При русі вниз по підгрупі таблиці Менделєєва електронегативність хімічних елементів зменшується, під час руху праворуч за періодом зростає.

Електронегативність відбиває неметаллічність елементів: що вище значення електронегативності, то більше в елемента виражені неметалеві властивості.

Ступінь окислення

Ступінь окислення – умовний заряд атома хімічного елемента у поєднанні, розрахований з припущення, що це зв'язку у його молекулі іонні, тобто. всі зв'язувальні електронні пари зміщені до атомів із більшою електронегативністю.

Як розрахувати ступінь окислення елемента у поєднанні?

1) Ступінь окиснення хімічних елементів у простих речовинах завжди дорівнює нулю.

2) Існують елементи, що виявляють у складних речовинах постійний ступінь окислення:

3) Існують хімічні елементи, які виявляють у переважній більшості сполук постійний ступінь окислення. До таких елементів відносяться:

Елемент	Ступінь окислення практично у всіх сполуках	Винятки
водень H	+1	Гідриди лужних та лужноземельних металів, наприклад:
кисень O	-2	Пероксиди водню та металів: Фторид кисню

4) Алгебраїчна сума ступенів окислення всіх атомів у молекулі завжди дорівнює нулю. Алгебраїчна сума ступенів окислення всіх атомів в іоні дорівнює заряду іона.

5) Вища (максимальна) ступінь окислення дорівнює номеру групи. Винятки, які не підпадають під це правило, - елементи побічної підгрупи І групи, елементи побічної підгрупи VIII групи, а також кисень і фтор.

Хімічні елементи, номер групи яких не збігається з їх вищим ступенем окиснення (обов'язкові для запам'ятовування)

6) Нижчий ступінь окиснення металів завжди дорівнює нулю, а нижчий ступінь окиснення неметалів розраховується за формулою:

нижчий ступінь окислення неметалу = № групи − 8

Відштовхуючись від наведених вище правил, можна встановити ступінь окислення хімічного елемента в будь-якій речовині.

Знаходження ступенів окислення елементів у різних сполуках

Приклад 1

Визначте ступеня окиснення всіх елементів у сірчаній кислоті.

Рішення:

Запишемо формулу сірчаної кислоти:

Ступінь окиснення водню у всіх складних речовинах +1 (крім гідридів металів).

Ступінь окислення кисню у всіх складних речовинах дорівнює -2 (крім пероксидів та фториду кисню OF 2). Розставимо відомі ступені окислення:

Позначимо ступінь окислення сірки як x:

Молекула сірчаної кислоти, як і молекула будь-якої речовини, загалом електронейтральна, т.к. сума ступенів окиснення всіх атомів у молекулі дорівнює нулю. Схематично це можна зобразити так:

Тобто. ми отримали наступне рівняння:

Вирішимо його:

Таким чином, ступінь окислення сірки у сірчаній кислоті дорівнює +6.

Приклад 2

Визначте ступінь окислення всіх елементів дихромату амонію.

Рішення:

Запишемо формулу дихромату амонію:

Як і в попередньому випадку, ми можемо розставити ступені окислення водню та кисню:

Проте бачимо, що невідомі ступеня окислення відразу в двох хімічних елементів — азоту і хрому. Тому знайти ступеня окислення аналогічно попередньому прикладу ми можемо (одне рівняння з двома змінними немає єдиного рішення).

Звернемо увагу на те, що вказана речовина відноситься до класу солей і, відповідно, має іонну будову. Тоді справедливо можна сказати, що до складу дихромату амонію входять катіони NH 4 + (заряд даного катіону можна подивитися у таблиці розчинності). Отже, так як у формульній одиниці дихромату амонію два позитивні однозарядні катіони NH 4 + , заряд дихромат-іона дорівнює -2, оскільки речовина в цілому електронейтрально. Тобто. речовина утворена катіонами NH 4 + та аніонами Cr 2 O 7 2- .

Ми знаємо ступеня окислення водню та кисню. Знаючи, що сума ступенів окиснення атомів всіх елементів в іоні дорівнює заряду, і позначивши ступеня окиснення азоту та хрому як xі yвідповідно, ми можемо записати:

Тобто. ми отримуємо два незалежні рівняння:

Вирішуючи які, знаходимо xі y:

Таким чином, у дихроматі амонію ступеня окиснення азоту -3, водню +1, хрому +6, а кисню -2.

Як визначати ступеня окиснення елементів в органічних речовинах можна почитати.

Валентність

Валентність - Число хімічних зв'язків, які утворює атом елемента в хімічному з'єднанні.

Валентність атомів позначається римськими цифрами: І, ІІ, ІІІ тощо.

Валентні можливості атома залежать від кількості:

1) неспарених електронів

2) неподілених електронних пар на орбіталях валентних рівнів

3) порожніх електронних орбіталей валентного рівня

Валентні можливості атома водню

Зобразимо електронно-графічну формулу атома водню:

Було сказано, що на валентні можливості можуть впливати три фактори – наявність неспарених електронів, наявність неподілених електронних пар на зовнішньому рівні та наявність вакантних (порожніх) орбіталей зовнішнього рівня. Ми бачимо на зовнішньому (і єдиному) енергетичному рівні один неспарений електрон. Виходячи з цього, водень може точно мати валентність, що дорівнює I. Однак на першому енергетичному рівні є лише один підрівень — s,тобто. атом водню на зовнішньому рівні немає як неподілених електронних пар, і порожніх орбіталей.

Таким чином, єдина валентність, яку може виявляти атом водню, дорівнює I.

Валентні можливості атома вуглецю

Розглянемо електронну будову атома вуглецю. В основному стані електронна конфігурація його зовнішнього рівня виглядає так:

Тобто. в основному стані на зовнішньому енергетичному рівні незбудженого атома вуглецю знаходиться 2 неспарені електрони. У такому стані він може виявляти валентність, що дорівнює II. Однак атом вуглецю дуже легко переходить у збуджений стан при повідомленні йому енергії, і електронна конфігурація зовнішнього шару в цьому випадку набуває вигляду:

Незважаючи на те, що на процес збудження атома вуглецю витрачається деяка кількість енергії, витрати з надлишком компенсуються при утворенні чотирьох ковалентних зв'язків. Тому валентність IV набагато більш характерна для атома вуглецю. Так, наприклад, валентність IV вуглець має на молекулах вуглекислого газу, вугільної кислоти і всіх органічних речовин.

Крім неспарених електронів та неподілених електронних пар на валентні можливості також впливає наявність вакантних () орбіталей валентного рівня. Наявність таких орбіталей заповнюваному рівні призводить до того, що атом може виконувати роль акцептора електронної пари, тобто. утворювати додаткові ковалентні зв'язки за донорно-акцепторним механізмом. Так, наприклад, всупереч очікуванням, у молекулі чадного газу CO зв'язок не подвійний, а потрійний, що наочно показано на наступній ілюстрації:

Резюмуючи інформацію щодо валентних можливостей атома вуглецю:

1) Для вуглецю можливі валентності II, III, IV

2) Найбільш поширена валентність вуглецю у сполуках IV

3) У молекулі чадного газу CO зв'язок потрійний (!), при цьому один із трьох зв'язків утворений за донорно-акцепторним механізмом

Валентні можливості атома азоту

Запишемо електронно-графічну формулу зовнішнього енергетичного рівня атома азоту:

Як видно з ілюстрації вище, атом азоту у своєму звичайному стані має 3 неспарені електрони, у зв'язку з чим логічно припустити про його здатність виявляти валентність, рівну III. Дійсно, валентність, що дорівнює трьом, спостерігається в молекулах аміаку (NH 3), азотистої кислоти (HNO 2), трихлористого азоту (NCl 3) і т.д.

Вище було сказано, що валентність атома хімічного елемента залежить від кількості неспарених електронів, а й від наявності неподілених електронних пар. Пов'язано це з тим, що ковалентний хімічний зв'язок може утворитися не тільки коли два атоми надають один одному по одному електрону, але також і тоді, коли один атом, що має неподілену пару електронів — донор() надає її іншому атому з вакантною () орбіталлю валентного рівня (акцептор). Тобто. для атома азоту можлива також валентність IV за рахунок додаткового ковалентного зв'язку, утвореного за донорно-акцепторним механізмом. Так, наприклад, чотири ковалентні зв'язки, одна з яких утворена за донорно-акцепторним механізмом, спостерігається при утворенні катіону амонію:

Незважаючи на те, що один з ковалентних зв'язків утворюється за донорно-акцепторним механізмом, всі зв'язки N-H в катіоні амонію абсолютно ідентичні і нічим один від одного не відрізняються.

Валентність, що дорівнює V, атом азоту виявляти не здатний. Пов'язано це з тим, що для атома азоту неможливий перехід у збуджений стан, при якому відбувається розпарювання двох електронів з переходом одного з них на вільну орбіталь, найближчу за рівнем енергії. Атом азоту не має d-підрівня, а перехід на 3s-орбіталь енергетично настільки витратний, що витрати енергії не покриваються утворенням нових зв'язків. Багато хто може поставити питання, а яка ж тоді валентність у азоту, наприклад, в молекулах азотної кислоти HNO 3 або оксиду азоту N 2 O 5 ? Як не дивно, валентність там теж IV, що видно з наступних структурних формул:

Пунктирною лінією на ілюстрації зображено так звану справакалізована π -зв'язок. Тому кінцеві зв'язки NO можна назвати «полуторними». Аналогічні полуторні зв'язки є також молекулі озону O 3 , бензолу C 6 H 6 тощо.

i>Резюмуючи інформацію щодо валентних можливостей атома азоту:

1) Для азоту можливі валентності I, II, III та IV

2) Валентності Vу азоту немає!

3) У молекулах азотної кислоти та оксиду азоту N 2 O 5 азот має валентність IV+5 (!) .

4) У сполуках, в яких атом азоту чотиривалентний, один із ковалентних зв'язків утворений за донорно-акцепторним механізмом (солі амонію NH 4 + , азотна кислота та д.р.).

Валентні можливості фосфору

Зобразимо електронно-графічну формулу зовнішнього енергетичного рівня атома фосфору:

Як бачимо, будова зовнішнього шару в атома фосфору переважно стані і атома азоту однаково, у зв'язку з чим логічно очікувати атома фосфору як і, як й у атома азоту, можливих валентностей, рівних I, II, III і IV, як і спостерігається практично.

Однак, на відміну від азоту, атом фосфору має на зовнішньому енергетичному рівні ще й d-підрівень з 5-ма вакантними орбіталями.

У зв'язку з цим він здатний переходити в збуджений стан, розпарюючи електрони 3 s-орбіталі:

Таким чином, недоступна азоту валентність V для атома фосфору можлива. Так, наприклад, валентність, що дорівнює п'яти, атом фосфору має в молекулах таких сполук, як фосфорна кислота, галогеніди фосфору (V), оксид фосфору (V) і т.д.

Валентні можливості атома кисню

Електронно-графічна формула зовнішнього енергетичного рівня атома кисню має вигляд:

Ми бачимо на 2-му рівні два неспарені електрони, у зв'язку з чим для кисню можлива валентність II. Слід зазначити, що ця валентність атома кисню спостерігається практично у всіх сполуках. Вище під час розгляду валентних можливостей атома вуглецю ми обговорили утворення молекули чадного газу. Зв'язок у молекулі CO потрійний, отже, кисень там тривалентний (кисень — донор електронної пари).

Через те, що атом кисню не має на зовнішньому рівні d-підрівня, розпарювання електронів sі p-орбіталей неможливо, через що валентні можливості атома кисню обмежені порівняно з іншими елементами його підгрупи, наприклад сіркою.

Таким чином, кисень практично завжди має валентність, рівну II, проте в деяких частинках він тривалентний, зокрема, в молекулі чадного газу C O. У разі, коли кисень має валентність III, один із ковалентних зв'язків утворений за донорно-акцепторним механізмом.

Валентні можливості атома сірки

Зовнішній енергетичний рівень атома сірки у незбудженому стані:

У атома сірки, як і в атома кисню, у звичайному стані два неспарені електрони, тому ми можемо зробити висновок про те, що для сірки можлива валентність, що дорівнює двом. І справді, валентність II сірка має, наприклад, в молекулі сірководню H 2 S.

Як бачимо, у атома сірки зовнішньому рівні з'являється d-підрівень із вакантними орбіталями. Тому атом сірки здатний розширювати свої валентні можливості на відміну від кисню за рахунок переходу в збуджені стани. Так, при розпаруванні неподіленої електронної пари 3 p-підрівня атом сірки набуває електронної конфігурації зовнішнього рівня наступного виду:

У такому стані атом сірки має 4 неспарені електрони, що говорить нам про можливість прояву атомами сірки валентності, що дорівнює IV. Дійсно, валентність IV сірка має молекулах SO 2 , SF 4 , SOCl 2 і т.д.

При розпарюванні другої неподіленої електронної пари, розташованої на 3 s-підрівні, зовнішній енергетичний рівень набуває конфігурації:

У такому стані стає можливим прояв валентності VI. Прикладом сполук з VI-валентною сіркою є SO 3 H 2 SO 4 SO 2 Cl 2 і т.д.

Аналогічно можна розглянути валентні можливості решти хімічних елементів.

Ціль: Продовжити вивчення валентності. Дати поняття ступеня окиснення. Розглянути види ступенів окиснення: позитивне, негативне, нульове значення. Навчитися правильно, визначати ступеня окиснення атома у поєднанні. Навчити прийомів порівняння та узагальнення досліджуваних понять; відпрацювати вміння та навички у визначенні ступеня окислення за хімічними формулами; продовжити розвиток навичок самостійної роботи; сприяти розвитку логічного мислення. Формувати почуття толерантності (терпимості та поваги до чужої думки) взаємодопомоги; здійснювати естетичне виховання (через оформлення дошки та зошит, при застосуванні презентацій).

Хід уроку

I. Організаційний момент

Перевірка учнів до уроку.

II. Підготовка до уроку

До уроку знадобляться: Періодична система Д.І.Менделєєва, підручник, робочі зошити, ручки, олівці.

III. Перевірка домашнього завдання.

Фронтальне опитування, деякі будуть працювати біля дошки по картках, проведення тесту, і підведенням цього етапу буде інтелектуальна гра.

1. Робота з картками.

1 картка

Визначити масові частки (%) вуглецю та кисню у вуглекислому газі (ЗІ 2 ) .

2 картка

Визначити тип зв'язку в молекулі Н2S. Написати структурну та електронну формули молекули.

2. Фронтальне опитування

1. Що називається хімічним зв'язком?
2. Які види хімічних зв'язків ви знаєте?
3. Який зв'язок називається ковалентним зв'язком?
4. Які ковалентні зв'язки вирізняють?
5. Що таке валентність?
6. Як ми визначаємо валентність?
7. Які елементи (метали та неметали) мають мінливу валентність?

3. Тестування

1. У яких молекулах існує неполярний ковалентний зв'язок?

2 . Яка молекула при утворенні ковалентно-неполярного зв'язку утворює потрійний зв'язок?

3 . Як називається позитивно заряджені іони?

А) катіони

Б) молекули

в) аніони

Г) кристали

4. У якому ряду містяться речовини іонної сполуки?

А) СН 4, NН 3, Мg

Б) СІ 2 , МgО, NаСI

В) МgF 2 , NаСI, СаСI 2

Г) Н 2 S, НСI, Н 2

5 . Валентність визначаються за:

А) за номером групи

Б) за кількістю неспарених електронів

В) за типом хімічного зв'язку

г) за номером періоду.

4. Інтелектуальна гра «Хрестики-нуліки »

Знайдіть речовини з ковалентно-полярним зв'язком.

IV. Вивчення нового матеріалу

Ступінь окиснення є важливою характеристикою стану атома в молекулі. Валентність визначається за кількістю неспарених електронів в атомі, орбіталями з неподіленими електронними парами, тільки в процесі збудження атома. Найвища валентність елемента, як правило, дорівнює номеру групи. Ступінь окислення у сполуках з різними хімічними зв'язками утворюється неоднаково.

Як утворюється ступінь окислення у молекул із різними хімічними зв'язками?

1) У з'єднаннях з іонним зв'язком ступеня окиснення елементів дорівнює зарядам іонів.

2) У з'єднаннях з ковалентним неполярним зв'язком (у молекулах простих речовин) ступінь окислення елементів дорівнює 0.

Н 2 0 ,I 2 0 , F 2 0 , S 0 , AI 0

3) У молекул з ковалентно-полярним зв'язком ступінь окислення визначається подібно до молекул з іонним хімічним зв'язком.

Ступінь окислення елемента - Це умовний заряд його атома, в молекулі, якщо вважати, що молекула складається з іонів.

Ступінь окислення атома на відміну валентності має знак. Вона може бути позитивною, негативною та нульовою.

Валентність позначиться римськими цифрами зверху символу елемента:

II	I	IV
Fe	Cu	S,

а ступінь окислення позначається арабськими цифрами із зарядом над символами елемента ( Мg +2 , Са +2 ,Nа +1,CIˉ¹).

Позитивний ступінь окислення - дорівнює числу електронів, відданих даним атомам. Атом може віддати всі валентні електрони (для головних груп це електрони зовнішнього рівня) відповідне номеру групи, в якому знаходиться елемент, виявляючи при цьому вищий ступінь окислення (виключення ОF 2). Zn +2) Позитивний ступінь виявляють як метали та неметали, крім F, He, Ne. С+4 ,Na+1 , Al+3

Негативний ступінь окислення дорівнює числу електронів, прийнятих даним атомом, її виявляють лише неметали. Атоми неметалів приєднують стільки електронів, скільки їх не вистачає до завершення зовнішнього рівня, виявляючи при цьому негативний ступінь.

У елементів головних підгруп IV-VII груп мінімальний ступінь окислення чисельно дорівнює

Наприклад:

Значення ступеня окислення між вищим і нижчим ступенями окиснення називається проміжними:

Вища	Проміжні	Нижча
	З +3 , З +2 ,З 0 ,З -2

У сполуках з ковалентним неполярним зв'язком (у молекулах простих речовин) ступінь окислення елементів дорівнює 0: Н 2 0 , ЗI 2 0 , F 2 0 , S 0 , AI 0

Для визначення ступеня окислення атома у поєднанні слід враховувати ряд положень:

1. Ступінь окисненняFу всіх з'єднаннях дорівнює «-1».Na +1 F -1 , H +1 F -1

2. Ступінь окислення кисню в більшості сполук дорівнює (-2) виняток:F 2 де ступінь окислення О +2F -1

3. Водень у більшості сполук має ступінь окиснення +1, крім з'єднання з активними металами, де ступінь окиснення (-1) : Na +1 H -1

4. Ступінь окислення металів основних підгрупI, II, IIIгруп у всіх сполуках дорівнює +1+2+3.

Елементи з постійним ступенем окиснення це:

А) лужні метали (Li, Na, K, Pb, Si, Fr) – ступінь окислення +1

Б) елементи II головної підгрупи групи крім (Hg): Be, Mg, Ca, Sr, Ra, Zn, Cd – ступінь окислення +2

В) елемент III групи: Al – ступінь окислення +3

Алгоритм складання формули в сполуках:

1 спосіб

1 . На першому місці пишеться елемент із меншою електронегативністю, на другому з більшою електронегативністю.

2 . Елемент, написаний першому місці має позитивний заряд «+», але в другому з негативним зарядом «-».

3 . Вказати ступінь окислення для кожного елемента.

4 . Знайти загальне кратне значення ступенів окиснення.

5. Розділити найменше загальне кратне значення ступенів окислення і отримані індекси приписати внизу праворуч після символу відповідного елемента.

6. Якщо ступінь окислення парне – непарне, то вони стають поруч із символом праворуч унизу хрест – навхрест без знака «+» та «-»:

7. Якщо ступінь окислення має парне значення, їх спочатку потрібно скоротити на найменше значення ступеня окислення і поставити хрест – навхрест без знака «+» і «-»: З +4 Про -2

2 спосіб

1 . Позначимо ступінь окиснення N через Х, вказати ступінь окиснення: N 2 xO 3 -2

2 . Визначити суму негативних зарядів, при цьому ступінь окислення кисню множимо на індекс кисню: 3 · (-2) = -6

3 .Щоб молекула була електронейтральною необхідно визначити суму позитивних зарядів: Х2 = 2Х

4 .Скласти алгебраїчне рівняння:

N 2 + 3 O 3 –2

V. Закріплення

1) Проведення закріплення теми грою, яке називається "Змійка".

Правила гри: учитель роздає картки. На кожній картці написано одне питання та одну відповідь на інше питання.

Вчитель розпочинає гру. Зачитає запитання, учень, який має на картці, відповідь на моє запитання піднімає руку і каже відповідь. Якщо відповідь правильна, він читає своє запитання і в того учня у якого є відповідь на це питання піднімає руку і відповідає і т.д. Утворюється змійка правильних відповідей.

1. Як і де позначається ступінь окислення атома хімічного елемента?
   Відповідь: арабською цифрою над символом елемента із зарядом «+» та «-».
2. Які види ступенів окиснення виділяють у атомів хімічних елементів?
   Відповідь: проміжна
3. Який ступінь виявляє метали?
   Відповідь: позитивна, негативна, нульова
4. Який ступінь виявляють прості речовини або молекули з неполярним ковалентним зв'язком.
   Відповідь: позитивна
5. Який заряд мають катіони та аніони?
   Відповідь: нульове.
6. Як називається ступінь окислення, що стоїть між позитивним та негативним ступенями окислення.
   Відповідь: позитивний, негативний

2) Написати формули речовин, що складаються з наступних елементів

1. N та H
2. Р і О
3. Zn та Cl

3) Знайти та закреслити речовини, що не мають мінливого ступеня окислення.

Na, Cr, Fe, K, N, Hg, S, Al, C

VI. Підсумок уроку.

Виставлення оцінок з коментарями

VII. Домашнє завдання

§23, стр.67-72, завдання після §23-стр 72 №1-4 виконати.

Формальний заряд атома в сполуках - допоміжна величина, зазвичай її використовують в описах властивостей елементів хімії. Цей умовний електричний заряд є ступінь окислення. Його значення змінюється внаслідок багатьох хімічних процесів. Хоча заряд є формальним, він яскраво характеризує властивості та поведінку атомів в окисно-відновних реакціях (ОВР).

Окислення та відновлення

У минулому хіміки використовували термін окислення, щоб описати взаємодію кисню з іншими елементами. Назва реакцій походить від латинського найменування кисню - Oxygenium. Пізніше з'ясувалося, що інші елементи також окислюють. І тут вони відновлюються — приєднують електрони. Кожен атом під час утворення молекули змінює будову своєї валентної електронної оболонки. І тут з'являється формальний заряд, величина якого залежить кількості умовно відданих чи прийнятих електронів. Для характеристики цієї величини раніше застосовували англійський хімічний термін "oxidation number", який означає "окислювальне число". При його використанні виходять з припущення, що електрони, що зв'язують, в молекулах або іонах належать атому, що володіє вищим значенням електронегативності (ЕО). Здатність утримувати свої електрони та притягувати їх від інших атомів добре виражена у сильних неметалів (галогенів, кисню). Протилежними властивостями мають сильні метали (натрій, калій, літій, кальцій, інші лужні та лужноземельні елементи).

Визначення ступеня окиснення

Ступенем окислення називають заряд, який атом придбав би в тому випадку, якби електрони, що приймають участь в утворенні зв'язку, повністю змістилися до більш електронегативного елементу. Є речовини, що не мають молекулярної будови (галогеніди лужних металів та інші сполуки). У цих випадках ступінь окислення збігається із зарядом іона. Умовний чи реальний заряд показує, який процес стався до того, як атоми набули свого нинішнього стану. Позитивне значення ступеня окиснення - це загальна кількість електронів, які були видалені з атомів. Негативне значення ступеня окислення дорівнює числу набутих електронів. По зміні стану окислення хімічного елемента судять у тому, що відбувається з його атомами під час реакції (і навпаки). За кольором речовини визначають, які зміни в стані окислення. Сполуки хрому, заліза та інших елементів, у яких вони виявляють різну валентність, пофарбовані неоднаково.

Негативне, нульове та позитивне значення ступеня окислення

Прості речовини утворені хімічними елементами з однаковим значенням ЕО. У цьому випадку зв'язувальні електрони належать всім структурним частинкам рівною мірою. Отже, у простих речовинах елементам невластивий стан окислення (Н 0 2, О 0 2, З 0). Коли атоми приймають електрони чи загальна хмара зміщується у тому бік, заряди прийнято писати зі знаком " мінус " . Наприклад, F-1, О-2, С-4. Віддаючи електрони, атоми набувають реального чи формального позитивного заряду. В оксиді OF 2 атом кисню віддає по одному електрону двом атомам фтору і знаходиться в стані окислення +2. Вважають, що в молекулі або багатоатомному іоні електронегативні атоми отримують всі зв'язуючі електрони.

Сірка — елемент, що виявляє різні валентність та ступеня окислення

Хімічні елементи головних підгруп найчастіше виявляють нижчу валентність рівну VIII. Наприклад, валентність сірки у сірковододі та сульфідах металів - II. Для елемента характерні проміжні та вища валентність у збудженому стані, коли атом віддає один, два, чотири або всі шість електронів і виявляє відповідно валентності I, II, IV, VI. Такі самі значення, тільки зі знаком "мінус" або "плюс", мають ступеня окислення сірки:

• у сульфіді фтору віддає один електрон: -1;
• у сірковододі нижче значення: -2;
• у діоксиді проміжний стан: +4;
• у триоксиді, сірчаній кислоті та сульфатах: +6.

У своєму вищому стані окислення сірка тільки приймає електрони, нижчою мірою — виявляє сильні відновлювальні властивості. Атоми S+4 можуть виявляти у з'єднаннях функції відновників або окислювачів залежно від умов.

Перехід електронів у хімічних реакціях

При утворенні кристала кухонної солі натрій віддає електрони електронегативнішим хлору. Ступені окислення елементів збігаються із зарядами іонів: Na +1 Cl -1 . Для молекул, створених шляхом усуспільнення та зміщення електронних пар до більш електронегативного атома, застосовні лише уявлення про формальний заряд. Але можна припустити, що це сполуки складаються з іонів. Тоді атоми, притягуючи електрони, набувають умовного негативного заряду, а віддаючи — позитивного. У реакціях вказують, скільки електронів зміщується. Наприклад, у молекулі діоксиду вуглецю С +4 Про - 2 2 вказаний у верхньому правому куті індекс при хімічному символі вуглецю відображає кількість електронів, віддалених з атома. Для кисню у цій речовині характерний стан окиснення -2. Відповідний індекс при хімічному знаку — кількість доданих електронів в атомі.

Як підрахувати ступеня окислення

Підрахунок кількості відданих і приєднаних атомами електронів може забрати багато часу. Полегшують це завдання такі правила:

1. У простих речовинах ступеня окиснення дорівнюють нулю.
2. Сума окислення всіх атомів чи іонів у нейтральній речовині дорівнює нулю.
3. У складному іоні сума ступенів окислення всіх елементів має відповідати заряду всієї частки.
4. Більше електронегативний атом набуває негативного стану окислення, яке записують зі знаком "мінус".
5. Менш електронегативні елементи одержують позитивні ступені окислення, їх записують зі знаком "плюс".
6. Кисень в основному виявляє ступінь окислення, що дорівнює -2.
7. Для водню характерне значення: +1, у гідридах металів трапляється: Н-1.
8. Фтор - найбільш електронегативний із усіх елементів, його стан окислення завжди дорівнює -4.
9. Для більшості металів окисні числа та валентності збігаються.

Ступінь окислення та валентність

Більшість сполук утворюються в результаті окисно-відновних процесів. Перехід або зміщення електронів від одних елементів до інших призводить до зміни стану окислення і валентності. Найчастіше ці величини збігаються. Як синонім до терміна «ступінь окислення» можна використовувати словосполучення «електрохімічна валентність». Але є винятки, наприклад, в іоні амонію азот чотиривалентний. Одночасно атом цього елемента перебуває у стані окислення -3. В органічних речовинах вуглець завжди чотиривалентний, але стани окислення атома С в метані СН 4 мурашиному спирті СН 3 ВІН і кислоті НСООН мають інші значення: -4, -2 і +2.

Окисно-відновні реакції

До окислювально-відновних відносяться багато найважливіших процесів у промисловості, техніці, живій та неживій природі: горіння, корозія, бродіння, внутрішньоклітинне дихання, фотосинтез та інші явища.

При складанні рівнянь ОВР підбирають коефіцієнти, використовуючи метод електронного балансу, у якому оперують такими категоріями:

• ступеня окиснення;
• відновник віддає електрони та окислюється;
• окислювач приймає електрони та відновлюється;
• число відданих електронів має дорівнювати числу приєднаних.

Придбання електронів атомом призводить до зниження його ступеня окиснення (відновлення). Втрата атомом одного чи кількох електронів супроводжується підвищенням окисного числа елемента внаслідок реакцій. Для ОВР, які протікають між іонами сильних електролітів у водних розчинах, найчастіше використовують не електронний баланс, а метод напівреакцій.

Для підрахунку ступенів окислення є ряд простих правил:

• Ступінь окислення елемента у складі простої речовини приймається рівною нулю. Якщо речовина знаходиться в атомарному стані, то ступінь окислення його атомів також дорівнює нулю.
• Ряд елементів виявляють у сполуках постійний ступінь окиснення. Серед них фтор (-1), лужні метали (+1), лужноземельні метали, берилій, магній та цинк (+2), алюміній (+3).
• Кисень, як правило, виявляє ступінь окислення −2 за винятком пероксидів $H_2O_2$ (−1) та фториду кисню $OF_2$ (+2).
• Водень у поєднанні з металами (в гідридах) виявляє ступінь окислення −1, а у з'єднаннях з неметалами, як правило, +1 (крім $SiH_4, B_2H_6$).
• Алгебраїчна сума ступенів окислення всіх атомів у молекулі має дорівнювати нулю, а складному іоні - заряду цього іона.
• Вища позитивна ступінь окиснення дорівнює, зазвичай, номеру групи елемента у періодичної системі. Так, сірка (елемент VIA групи), виявляє найвищий ступінь окислення +6, азот (елемент V групи) - найвищий ступінь окислення +5, марганець - перехідний елемент VIIБ групи - найвищий ступінь окислення +7. Це правило не поширюється на елементи побічної підгрупи першої групи, ступеня окислення яких зазвичай перевищують +1, а також елементи побічної підгрупи VIII групи. Також не виявляють своїх вищих ступенів окиснення, рівних номеру групи, елементи кисень та фтор.
• Нижчий негативний ступінь окиснення для елементів-неметалів визначається відніманням номера групи з числа 8. Так, сірка (елемент VIA групи) виявляє нижчий ступінь окиснення −2, азот (елемент V групи) - нижчий ступінь окиснення −3.

З наведених вище правил можна визначити ступінь окислення елемента у будь-якій речовині.

Знайти ступінь окислення сірки в кислотах:

а) H$_2$SO$_3$,

б) H$_2$S$_2$O$_5$,

в) H$_2$S$_3$O$_(10)$.

Рішення

Ступінь окиснення водню дорівнює +1, кисню -2. Позначимо ступінь окислення сірки як x. Тоді можна записати:

$\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 чином, у перших двох кислотах ступінь окислення сірки однаковий і дорівнює +4, в останній кислоті +6.

Знайти ступінь окислення хлору в сполуках:

б) $ Ca (ClO_4)_2 $,

в) $ Al (ClO_2)_3 $.

Рішення

Спочатку знайдемо заряд складних іонів, до складу яких входить хлор, пам'ятаючи, що молекула в цілому електронейтральна.

$\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 ВИЛІЧЕННЯ ВАЛЕНТНОСТІ ЕЛЕМЕНТА У Сполученні

Найчастіше чисельні значення ступеня окиснення та валентності збігаються. Однак у деяких сполуках, наприклад, у простих речовинах, їх значення можуть різнитися.

Так, молекула азоту утворена двома атомами азоту, пов'язаними потрійним зв'язком. Зв'язок утворений трьома загальними електронними парами за рахунок присутності трьох неспарених електронів на 2p-підрівні атома азоту. Тобто валентність азоту дорівнює трьом. У той самий час $N_2$ - просте речовина, отже, ступінь окислення цієї молекули дорівнює нулю.

Аналогічно, в молекулі кисню валентність дорівнює двом, а ступінь окислення – 0; у молекулі водню валентність – I, ступінь окислення – 0.

Так само як у простих речовинах, ступінь окислення та валентність часто відрізняються в органічних сполуках. Докладніше це буде розглянуто у темі «ОВР в органічній хімії».

Для визначення валентності у складних сполуках спочатку необхідно побудувати структурну формулу. У структурній формулі один хімічний зв'язок зображується однією рискою.

При побудові графічних формул слід враховувати низку чинників:

утворювати певну кількість із атомами інших елементів.

Валентність атомів фтору завжди дорівнює I

Li, Na, K, F,H, Rb, Cs- одновалентні;

Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Cd, Zn,O, Ra- мають валентність, що дорівнює II;

Al, BGa, In- Тривалентні.

Максимальна валентність атомів даного елемента збігається з номером групи, в якій він знаходиться в Періодичній системі. Наприклад, для Са цеIIдля сірки -VIдля хлору -VII. Винятків із цього правила теж чимало:

ЕлементVIгрупи, О, має валентність II (H 3 O+ - III);
- одновалентний F(замістьVII);
- дво- та тривалентно зазвичай залізо, елемент VIII групи;
- N може утримати біля себе лише 4 атоми, а не 5, як випливає з номера групи;
- одно- та двовалентна мідь, розташована в I групі.

Мінімальне значення валентності для елементів, у яких вона змінна, визначається за формулою: № групи в ПС - 8. Так, нижча валентність сірки 8 - 6 = 2, фтору та інших галогенів - (8 - 7) = 1, азоту та фосфору - (8 - 5) = 3 і так далі.

У поєднанні сума одиниць валентності атомів одного елемента повинна відповідати сумарній валентності іншого (або загальна кількість валентностей одного хімічного елемента дорівнює загальному числу атомів валентностей іншого хімічного елемента). Так, у молекулі води Н-О-Н валентність Н дорівнює I, таких атомів 2, отже, всього одиниць валентності у водню 2 (1×2=2). Таке значення має і валентність кисню.

При з'єднанні металів з неметалами останні виявляють нижчу валентність

У поєднанні, що складається з атомів двох видів, елемент, розташований на другому місці, має нижчу валентність. Так при поєднанні неметалів між собою, нижчу валентність виявляє той елемент, який знаходиться в ПСХЕ Менделєєва правіше і вище, а вищу відповідно ліворуч і нижче.

Валентність кислотного залишку збігається з кількістю атомів Н у формулі кислоти, валентність групи OH дорівнює I.

У поєднанні, утвореному атомами трьох елементів, той атом, що знаходиться в середині формули, називають центральним. З ним пов'язані атоми Про, і з киснем утворюють зв'язку інші атоми.

Правила визначення ступеня окиснення хімічних елементів.

Ступінь окислення - це умовний заряд атомів хімічного елемента у поєднанні, обчислений з припущення, що сполуки складаються лише з іонів. Ступеня окислення може мати позитивне, негативне чи нульове значення, причому знак ставиться перед числом:-1, -2, +3, на відміну заряду іона, де знак ставиться після числа.
Ступені окислення металів у з'єднаннях завжди позитивні, вищий ступінь окислення відповідає номеру групи періодичної системи, де знаходиться даний елемент (за винятком деяких елементів: золото Au +3 (I група), Cu +2 (II), з VIII групи ступінь окислення +8 може бути тільки у осмію Os та рутенію Ru).
Ступені неметалів можуть бути як позитивними так і негативними, залежно від того з яким атомом він з'єднаний: якщо з атомом металу завжди негативна, якщо з неметаллом-то може бути і +, і -. При визначенні ступенів окиснення необхідно використовувати такі правила:

Ступінь окислення будь-якого елемента у простій речовині дорівнює 0.

Сума ступенів окислення всіх атомів, що входять до складу частки (молекул, іонів і т. д.) дорівнює заряду цієї частки.

Сума ступенів окиснення всіх атомів у складі нейтральної молекули дорівнює 0.

Якщо з'єднання утворено двома елементами, то у елемента з більшою електронегативністю ступінь окислення менший за нуль, а у елемента з меншою електронегативністю – більше за нуль.

Максимальний позитивний ступінь окислення будь-якого елемента дорівнює номеру групи в періодичній системі елементів, а мінімальна негативна дорівнює N-8, де N - номер групи.

Ступінь окислення фтору в з'єднаннях дорівнює -1.

Ступінь окислення лужних металів (літію, натрію, калію, рубідії, цезію) дорівнює +1.

Ступінь окислення металів головної підгрупи II групи періодичної системи (магнію, кальцію, стронцію, барію) дорівнює +2.

Ступінь окислення алюмінію дорівнює +3.

Ступінь окислення водню в сполуках дорівнює +1 (виняток - сполуки з металами NaH, CaH 2 , У цих сполуках ступінь окислення у водню дорівнює -1).

Ступінь окислення кисню дорівнює -2 (виключення - перекису H 2 O 2 , Na 2 O 2 , BaO 2 у яких ступінь окислення кисню дорівнює -1, а поєднанні з фтором - +2).

У молекулах алгебраїчна сума ступенів окислення елементів з урахуванням їх числа атомів дорівнює 0.

приклад. Визначити ступеня окиснення в з'єднанні K 2 Cr 2 O 7 .
У двох хімічних елементів калію та кисню ступеня окислення постійні та рівні відповідно +1 та -2. Число ступенів окислення у кисню дорівнює (-2) · 7 = (-14), у калію (+1) · 2 = (+2). Число позитивних ступенів окислення дорівнює числу негативних. Отже (-14) + (+2) = (-12). Значить у атома хрому число позитивних ступенів дорівнює 12, але атомів 2, отже на один атом припадає (+12):2=(+6), записуємо ступеня окислення над елементамиДо + 2 Cr +6 2 O -2 7