Определение степени окисления

  • Что показывает степень окисления?
  • Как определить степень окисления?

Чем различаются оксиды?

Свойства соединений, состоящих из одних и тех же химиче­ских элементов, могут существенно различаться. Например, оксидов углерода два: диоксид углерода (CO2) и монооксид углерода, или угарный газ (CO). Несколько оксидов могут образовывать и другие элементы, например, азот, сера, желе­зо и др. Оксиды одного и того же элемента различаются как свойствами, так и относительным содержанием в них кисло­рода, то есть степенью окисления. Различные оксиды одного и того же химического элемента удобнее всего различать имен­но на основании степени окисления.

Использование веселящего газа. Оксид азота N2O, или веселящий газ, – это бесцветный газ, произво­дящий на человека опьяняющий эффект. Он приме­ня­ется в медицине в качестве обезболивающего средства. А вот диоксид азота NO2 – это ядовитый газ красно-бурого цвета с резким неприятным запа­хом

Степень окисления элемента

Как мы уже знаем, при горении веществ, как правило, обра­зу­ются оксиды данных веществ. Формулы оксидов могут быть абсолютно разными, например MgO, Al2O3, SiO2 и др. Даже один и тот же элемент может образовывать несколько разных оксидов, например CO и CO2. При сос­тав­лении формул оксидов (и других соединений) учитываются степени окисления соответствующих элементов этого соеди­не­ния.

Поджигание магние­вой ленты​
При горении магний све­тится ярким белым пла­менем

Степень окисления численно равна заряду соответствую­щего иона в соединении (предполагая, что соединение состо­ит из ионов). Степень окисления элементов обозначается рим­скими цифрами, стоящими над символом соответ­ствую­ще­го элемента. Если степень окисления отрицательная, пе­ред цифрой ставится знак минус, а если положительная, знак плюс не пишется.

Условный заряд атома элемента в соединении называется степенью окисления элемента.

Мы уже знаем, что атомы могут присоединять или отдавать электроны для достижения устойчивого, заполненного элек­тронами внешнего слоя (электронного октета). Количество при­соединенных или отданных электронов определяет заряд возникшего иона. Рассмотрим, какие ионы образуются при горении магния (образуется оксид магния).

Во внешнем слое атома кислорода содержится шесть электро­нов. При присоединении еще двух электронов он изменяется до оксид-иона O2−. Во внешнем слое атома магния содер­жит­ся два электрона. Если он их отдает, образуется ион Mg2+.

Mg + O → Mg2+ + O2– (MgO)

Следовательно, степень окисления кислорода в оксиде маг­ния равна –II, а степень окисления магния II. Таким образом, формула соединения будет выглядеть следующим образом:

 II  IIMg  O

Степень окисления показывает степень окисления элемента в соединении

  • Чем выше положительное значение степени окисления, тем больше окислен элемент и тем больше электронов он отдал атомам другого элемента.
  • Чем больше (по модулю) отрицательное значение степени окисления, тем больше электронов атом элемента принял от других ато­мов.

При определении степени окис­ле­ния (с. о.) в соединении мы исходим из того, что в целом химическое соединение нейтрально, то есть сумма всех положительных и отрица­тель­ных зарядов его компонентов равна нулю. Следователь­но, в лю­бом соединении сумма по­ло­жи­тель­ных значений сте­пеней окисления атомов по модулю равна сумме от­ри­цательных значений степеней окисления атомов.

На иллюстрации показаны некоторые виды топли­ва с разной степенью окисления. Степень окисле­ния углерода также характеризует, сколько энергии можно получить при сжигании углеродсодержащего топлива. Чем ниже степень окисления углерода, тем больше энергии содержит топливо

При определении степени окисления следует помнить, что:

  • в простых веществах степень окисления элементов равна нулю (атомы не отдают и не присоединяют элек­троны);
  • в большинстве соединений степень окисления кис­ло­рода равна –II, а водорода I;
  • степень окисления катионов металлов равна заря­ду катиона;
  • степень окисления ме­тал­ли­чес­ких элементов в со­еди­нениях всегда по­ло­жи­тель­ная;
  • степень окисления элементов групп IА, IIА и боль­шин­ства элементов группы IIIА в соединениях обычно равна номеру группы:

степень окисления элементов группы  (Li, Na, K и др.) равна I

степень окисления элементов группы IIА (Mg, Ca и др.) равна II

степень окисления элементов группы IIIА (Al и др.) равна III

      • Mg
      • Li
      • Sr
      • Ca
      • Na
      • Rb
      • K
      • Ba

      Большинство неметаллов способны как принимать, так и отдавать электроны в зависимости от того, с каким веще­ством они реагируют. Таким образом, в соединениях они мо­гут иметь как положительную, так и отрицательную сте­пень окисления.

      В оксидах степень окисления элементов групп IA, IIA и неко­торых элементов IIIA (Al, Ga) совпадает с номером группы (на­пример, Li2O, BaO и Al2O3). Большинство неметал­личес­ких элементов могут образовывать несколько оксидов, в ко­торых элемент имеет разную степень окисления, но одна из них более устойчива, чем другие, на­при­мер, наиболее устой­чивым оксидом фосфора является Р4О10.

      Пояснение

      По существу степень окисления является формальной вели­чиной, которая часто не соответствует действительному заря­ду атома в соединении. Известно, что во многих соединениях, где существует ковалентная связь, полного перехода электро­нов от одного атома к другому не происходит. Степень окис­ле­ния определяют исходя из предположения, что атомы в соединении связаны только ионной связью.

      Однако использование степени окисления значительно об­лег­чает составление формул соединений и расставление ко­эф­фициентов в сложных уравнениях химических реакций.

      Примеры определения степени окисления

      Для примера рассмотрим, как определить степени окисления составных элементов диоксида углерода CO2. Известно, что степень окисления кислорода равна –II, то есть заряд кислорода составляет –2. Поскольку в молекуле содержи­тся два атома кислорода, суммарный «заряд атомов» кислорода будет равен 2 · (–2) = –4. Следовательно, заряд углеро­да должен быть положительным и составить +4. Поскольку молекула CO2 содержит один атом углерода, степень окисле­ния углерода будет равна IV.

      Эти рассуждения можно представить в виде схемы. Под сим­во­лами элементов обозначены суммарные заряды со­от­ветст­вующих элементов.

      Модель молекулы CO2

      NO

      N, O

      Cr2O3 

      Cr, O

      H2

      H S

      N2

      N

      SnS2

      Sn, S

      Al

      Al

      NH3

      N, H

      Аналогичным образом определим степени окисления состав­ных элементов оксида алюминия Al2O3. Суммарный за­ряд атомов кислорода в соединении составляет 3 · (–2) = –6. Степень окисления алюминия равна частному от деления суммарного заряда атомов алюминия +6 на их количество: 6 : 2 = 3. То есть заряд одного атома алюминия равен 3, а сте­пень окисления алюминия III.

      Подобным образом можно определить степени окисления эле­ментов не только в оксидах, но и в других соединениях. Най­дем, например, степень окисления углерода в молекуле этана С2Н6, учитывая, что степень окисления водорода равна I.

      Выводы

      • Степень окисления (с. о.) – заряд атома элемента в соединении (если допустить, что оно состоит из ионов).
      • В простых веществах степень окисления элементов равна нулю.
      • В большинстве соединений степень окисления кислорода равна –II, а водорода I.
      • Степень окисления металлических элементов в соедине­ни­ях всегда положительная, а степень окисления катио­нов металлов равна заря­ду катиона.
      • Степень окисления неметаллических элементов в соедине­ни­ях может быть как положительной, так и отрицательной.
      • Химическое соединение в целом электрически нейтраль­но: сумма положительных и отрицательных значений сте­пеней окисления атомов в соединении равна нулю.

      Вопросы

      1. Что такое степень окисления?
      2. Как обозначается степень окисления элемента в соедине­нии?
      3. Какова степень окисления элемента простого вещества?
      4. Какова в большинстве соединений:
        а) степень окисления кислорода;
        ​б) степень окисления водорода?
      5. Почему степень окисления металлических элементов практически во всех соединениях положительная?