§ 21. Степень окисления элементов

Вспомните: определение электронной конфигурации атома (§ 13).

Понятие о степени окисления

Для характеристики химических реакций часто возникает необходимость указать число электронов, которые принимают участие в том или ином процессе. Если для веществ с ионной связью для этого достаточно знать заряды образованных ионов, то в веществах с ковалентной связью определить заряды довольно сложно. Поэтому для всех соединений, независимо от типа их химической связи, используют более универсальное понятие — степень окисления.

Степень окисления определяется числом отданных или принятых электронов в веществах с ионной связью и числом электронов в составе общих электронных пар, образующих ковалентную полярную связь.

Степень окисления — это условный заряд на атоме в молекуле (кристалле), определенный с предположением, что все общие электронные пары полностью смещены в сторону более электроотрицательного элемента.

В простейших ионных соединениях степень окисления совпадает с зарядами ионов, например:

Это правило распространяется на все основные оксиды: степень окисления металлического элемента равна заряду иона металлического элемента (Натрия — +1, Бария — +2, Алюминия — +3), а степень окисления Оксигена равна -2.

Рассматривая соединения с ковалентной полярной связью, принимают, что общая электронная пара полностью переходит к более электроотрицательному элементу. В этом случае в гидроген флуориде и воде степени окисления будут следующие:

Возможные степени окисления элементов

Степени окисления, которые элементы могут проявлять в разных соединениях, в большинстве случаев можно определить по строению внешнего электронного уровня или по положению элемента в Периодической системе.

Атомы металлических элементов могут только отдавать электроны, поэтому в соединениях они проявляют положительные степени окисления. Максимальное значение — высшая степень окисления — обычно равно числу электронов на внешнем уровне, а следовательно, и номеру группы в Периодической системе.

Атомы неметаллических элементов могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления. Максимальная положительная степень окисления — высшая степень окисления, как и для металлических элементов, равна числу валентных электронов. А низшая степень окисления определяется тем, сколько электронов не хватает атому, чтобы на внешнем уровне их было восемь (табл. 7).

Кроме высшей и низшей степени окисления многие элементы могут также проявлять и промежуточные степени окисления. Определить их для s- и p-элементов можно по таблице 7.

Таблица 7. Наиболее характерные степени окисления s- и р-элементов

Група ПС	I	II	III	IV	V	VI	VII
Высшая степень окисления	+1	+2	+3	+4	+5	+6 (кроме О)	+7 (кроме F)
Промежуточные степени окисления	—	—	—	+2, 0	+3, 0	+4, +2, 0	+5, +3, +1, 0
Низшая степень окисления	0	0	0	-4	-3	-2	-1

Некоторые химические элементы не подчиняются этим правилам. Среди них Гидроген, Оксиген, Флуор:

Определение степеней окисления в бинарных соединениях

Для определения степеней окисления в соединениях недостаточно знать возможные степени окисления элементов. Для этого следует пользоваться определенными правилами. Прежде всего, принципом электронейтральности: поскольку любое вещество является электронейтральным, то сумма степеней окисления атомов всех элементов, из которых состоит вещество, должно быть равным нулю.

Для определения степеней окисления элементов в бинарных соединениях можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Алгоритм определения степени окисления элементов в бинарных соединениях (на примере фосфор(V) сульфида и кальций фосфида)

Выводы

1. Степень окисления определяет число принятых или отданных электронов. Для одноатомных ионов степень окисления равна заряду иона. В других случаях она равна заряду на атоме в молекуле или кристалле, вычисленному с допущением, что все общие электронные пары полностью смещены в сторону более электроотрицательного элемента.

2. При определении степени окисления необходимо помнить, что сумма степеней окисления всех атомов в соединении равна нулю. У атомов более электроотрицательного элемента в соединении степень окисления отрицательная, а у других элементов — положительная.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию «степень окисления».

2. В чем заключается сходство и различие понятий «степень окисления» и «валентность»?

3. Как можно определить высшую, низшую и промежуточные степени окисления элементов по Периодической системе?

4. Чему равна низшая степень окисления металлических элементов?

5. Сформулируйте алгоритм определения степеней окисления элементов в бинарных соединениях.

6. Какова степень окисления элементов в простых веществах? Почему она именно такая?

Задания для усвоения материала

1. Определите валентность и степень окисления всех элементов по следующим структурным формулам:

2. По положению элементов в Периодической системе определите возможные валентности и степени окисления: а) Калия; б) Магния; в) Брома; г) Фосфора; д) Сульфура.

3. Определите степени окисления элементов в соединениях с Гидрогеном: СН₄, NH₃, H₂S, HCl, СаН₂.

4. Определите степени окисления элементов в веществах:

а) AlF₃, BaCl₂, CaS, К₃Р, SnO₂;

б) l₂, N₂O₃, PbCl₄, Cl₂O₇, SbCl₃;

в) ClF₃, NaF, Р₄, FeI2, MgS;

г) CF₄, Са, CS₂, Аl₄С₃, РСl₅;

д) FeS, IBr, TeCl₄, SF₆, NF₃;

е) CS₂, ХеO₄, ССl₄, РСl₅, Мn₂O₇.

5. Приведите формулы веществ, в которых степени окисления Гидрогена и Карбона равны их валентностям.