Определение степени окисления

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.

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.

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⁺ + O^2– (MgO)

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

$\begin{array}{c} \mathrm{II} –\mathrm{II}\\ \mathrm{Mg} \mathrm{O}\end{array}$

• 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.

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:

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.

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.

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.