§ 17. Ступінь окиснення

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

розрізняти валентність і ступінь окиснення; ступінь окиснення і валентність елемента в простих і складних речовинах;
розуміти сучасне поняття валентності; зміст поняття «ступінь окиснення»;
складати формули бінарних сполук за ступенем окиснення елементів;
визначати ступінь окислення елементів за формулами бінарних сполук.

Ступінь окиснення. Вивчивши типи хімічного зв’язку в неорганічних речовинах, ви переконалися, що атоми можуть втрачати або приєднувати електрони в одних випадках й утворювати спільні електронні пари — в інших.

Пригадайте, на що вказує електронегативність атомів елементів, як вона змінюється в періодах і групах.

Як вам відомо, електронегативність указує на те, до яких атомів у хімічній сполуці зміщуються або переміщуються електрони. З поняттям «електронегативність» пов’язана ще одна характеристика атома — ступінь окиснення.

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома, якщо припустити, що сполука складається тільки з йонів.

Кількісно ступінь окиснення визначають числом електронів, що віддав чи приєднав атом, якщо це йонна сполука. Наприклад, у сполуці складу ZnS атом Цинку віддав два електрони. Ступінь окиснення Цинку — +2 (плюс два). Сульфур приєднав два електрони та внаслідок цього набув значення ступеня окиснення -2 (мінус два). Отже, у йонних бінарних сполуках ступінь окиснення чисельно збігається з величиною заряду йонів. Ураховуючи той факт, що більшість неорганічних речовин мають немолекулярну будову, складати формули сполук доцільно за ступенем окиснення елементів.

У ковалентних полярних сполуках спільна електронна пара зміщена до більш електронегативного елемента. Цей елемент має частковий негативний заряд. Відповідно елемент, від якого змістилася електронна пара, — частково позитивний. Наприклад, у молекулі води Н₂О до Оксигену зміщуються два s-електрони від двох атомів Гідрогену. Унаслідок цього Гідроген отримує заряд «+» (плюс). Оксиген набуває умовного заряду -2 (мінус два).

Ступені окиснення в сполуках проставляють над символами елемента, наприклад:

Треба запам’ятати, що, проставляючи ступінь окиснення, спочатку ставлять знак «+» чи «-», а потім — його числове значення.

Пригадайте, як позначаються заряди йонів у йонних сполуках.

Справді, у йонних сполуках заряди йонів проставляють після символу елемента вгорі справа, причому спочатку пишуть числове значення, потім — відповідний знак, наприклад: Са²⁺.

Цим відрізняються позначення заряду йона та ступеня окиснення.

Валентність і ступінь окиснення. Учення про будову атомів і хімічний зв’язок допомогло розкрити й зрозуміти фізичний зміст одного з основних понять хімії — валентності. Валентність розглядають як здатність атомів утворювати хімічні зв’язки.

Валентність — це число ковалентних хімічних зв’язків, якими атом з’єднаний з іншими атомами.

З цього визначення можна зробити висновок про те, що число зв’язків, які може утворити атом, дорівнює числу неспарених електронів, що використовуються для утворення спільних електронних пар. Отже, і валентність можна виражати числом неспарених електронів, які можуть утворити спільні електронні пари.

Якщо ж узяти до уваги те, що валентність вимірюється числом ковалентних зв’язків, то для речовин немолекулярної будови поняття валентності втрачає визначеність. Для них характерне тільки поняття ступеня окиснення.

Що можна сказати про ступінь окиснення в сполуках із ковалентним неполярним зв’язком? Адже в них не відбувається зміщення електронів, а електронегативність атомів, що утворюють молекули простих речовин, є однаковою. Вам уже відомо, що в таких сполуках ядра атомів рівновіддалені від спільних електронних пар, що утворюють зв’язок. Тому ступінь окиснення в простих речовинах дорівнює нулю, наприклад, для простих речовин, утворених неметалічними елементами Гідрогеном, Хлором, Оксигеном і т. д.:

Однак валентність атомів елементів не співпадає з числовим значенням ступеня окиснення, оскільки, як уже згадувалося, валентність визначається числом електронів, що утворюють хімічний зв’язок. Тому у вищевказаних сполуках водню, хлору, брому валентність елементів дорівнює 1, у кисню — 2, а в азоту — 3.

Звідси випливає висновок: у простих речовинах, до складу молекул яких входять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів неоднакові.

Треба зазначити, що багато елементів у сполуках проявляють змінний ступінь окиснення. Наприклад, Сульфур у сполуках H₂S, Na₂S проявляє ступінь окиснення -2, бо має більшу електронегативність, аніж Гідроген і Натрій. А в сполуках SO₂, SO₃ Сульфур проявляє позитивний ступінь окиснення, відповідно +4 і +6, бо Оксиген більш електронегативний. Найвищий позитивний ступінь окиснення елемента виявляється тоді, коли всі електрони зовнішнього енергетичного рівня утворюють хімічні зв’язки.

Ураховуючи те, що молекули — електронейтральні, сума позитивних зарядів дорівнює сумі негативних зарядів усередині однієї молекули.

Визначення ступеня окиснення елемента за хімічною формулою сполуки. За хімічною формулою бінарної сполуки визначають ступінь окиснення елемента. Щоб це зробити, необхідно пам’ятати:

1) у формулах бінарних сполук елемент із більшою електронегативністю стоїть на другому місці. Це означає, що електронна пара зміщена до цього елемента. У разі йонних сполук електрони перемістилися до цього елемента. Отже, його ступінь окиснення завжди матиме негативний заряд, числове значення якого залежить від кількості зміщених або переміщених електронів;
2) сума ступенів окиснення елементів у сполуці дорівнює нулю;
3) ступінь окиснення лужних металічних елементів завжди дорівнює +1, а Гідрогену — переважно теж +1 (виняток становлять сполуки металічних елементів з Гідрогеном — гідриди, у яких ступінь окиснення — -1);
4) ступінь окиснення Оксигену — -2 (виняток: сполуки OF₂, Н₂О₂);
5) ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю.

Зважаючи на сказане вище, спробуйте визначити ступінь окиснення елемента в бінарних сполуках за поданими формулами: HBr, CaO, Mn₂O₇, СН₄, NH₃, H₂S.

Складання формули сполуки за відомими ступенями окиснення елемента.

Пригадайте, як складають формули бінарних сполук за валентністю атомів елементів.

Формули бінарних сполук за ступенем окиснення складають аналогічно, як за валентністю елементів.

Розглянемо приклад.

Завдання. Складіть формулу сполуки Хлору, що проявляє ступінь окиснення +7, з Оксигеном.

Розв’язання.

1. Запишемо символи хімічних елементів і проставимо числові значення їх ступенів окиснення:

2. Знайдемо найменше спільне кратне для чисел 7 і 2, воно становить 14.

3. Поділимо найменше спільне кратне на ступінь окиснення кожного елемента й знайдемо число атомів у складі сполуки, які проставляються індексами.

4. Відповідь: формула сполуки — Сl₂О₇.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, якщо припустити, що вона складається тільки з йонів.
Ступінь окиснення визначають числом електронів, що віддав чи приєднав атом, якщо це йонна сполука, або числом зміщених електронів, якщо сполука ковалентна полярна.
Валентність — це число ковалентних хімічних зв’язків, якими атом з’єднаний з іншими атомами.
У простих речовинах, до складу молекул яких входять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів різні.
За хімічною формулою бінарної сполуки визначають ступінь окиснення елемента, а за ступенем окиснення складають формули бінарних сполук.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення поняття «ступінь окиснення».
2. Поясніть, як визначити ступінь окиснення елементів у йонних і ковалентних сполуках.
3. Обчисліть ступені окиснення елементів у сполуках, поданих формулами: а) AgСl, СО₂, Cu₂S, ΝΟ₂, Аl₂О₃; б) FeCl₃, NO, Ag₂S, Cr₂О₃, Р₂О₅; в) СаBr₂, Mn₂О₃, Na₃О, Ν₂Ο₃, СО; г) ΝΗ₃, CrО₃, К₂О, Mn₂О₇, Ν₂Ο; ґ) Na₂S, N₂O₅, ZnCI₂, CCI₄, SO₃; д) AlCl₃, CuS, CI₂O₃, MnО₃, OF₂.
4. Складіть формули бінарних сполук за ступенями окиснення елементів, що утворені: а) Кальцієм і Хлором; б) Магнієм і Сульфуром; в) Калієм та Оксигеном; г) Літієм і Нітрогеном; ґ) Барієм і Бромом; д) Алюмінієм й Оксигеном; е) Карбоном і Гідрогеном; є) Магнієм і Нітрогеном.
5. Обчисліть ступінь окиснення елементів у кислотах, поданих формулами, знаючи, що ступінь окиснення Гідрогену — +1, а Оксигену — -2: Н₃РО₄, HNO₃, H₂SO₄, НClO₄, Н₂MnО₄, НРО₃.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

Дослід 1. Нашатирний спирт є розчином амоніаку у воді. Його використовують для відновлення свідомості під час втрати її людиною. З цією метою нашатирний спирт тримають у домашній аптечці. Дослідіть фізичні властивості цієї речовини й зробіть висновок про тип хімічного зв’язку в молекулі амоніаку.

Дослід 2. Дослідіть, чому поверхні узбереж річок і морів не взаємодіють із водою. Які ще фізичні властивості притаманні силіцій(ІV) оксиду?

Дослід 3. Цей продукт, солоний на смак, — життєво необхідний для людини. Назвіть його та дослідіть фізичні властивості.

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ

Залежність фізичних властивостей речовин від типів кристалічних ґраток.

I. Виконайте навчальний проект у довільній формі.

II. Проведіть презентацію проекту.