§ 21. Ступінь окиснення елементів

Пригадайте: визначення електронних конфігурацій атомів (за § 13).

Поняття про ступінь окиснення

Для характеристики хімічних реакцій часто є необхідним зазначити число електронів, що беруть участь у тому чи іншому процесі. Якщо для речовин з йонним зв’язком для цього достатньо знати заряди утворених йонів, то в речовинах з ковалентним зв’язком визначити заряди досить складно. Тому для всіх сполук, незалежно від типу їхнього хімічного зв’язку, застосовують більш універсальне поняття — ступінь окиснення.

Ступінь окиснення визначається числом відданих або прийнятих електронів у речовинах з йонним зв’язком та числом електронів у складі спільних електронних пар, що зумовлюють ковалентний полярний зв’язок.

Ступінь окиснення — це умовний заряд на атомі в молекулі або кристалі, обчислений з припущенням, що всі спільні електронні пари повністю зміщені в бік більш електронегативного елемента.

У найпростіших йонних сполуках ступінь окиснення збігається із зарядами йонів, наприклад:

Це правило поширюється на всі основні оксиди: ступінь окиснення металічного елемента дорівнює заряду йона металічного елемента (Натрію — +1, Барію — +2, Алюмінію — +3), а ступінь окиснення Оксигену дорівнює -2.

Розглядаючи сполуки з ковалентним полярним зв’язком, роблять припущення, що спільна електронна пара повністю переходить до більш електронегативного елемента. У цьому випадку в гідроген флуориді та воді ступені окиснення будуть такі:

Можливі ступені окиснення елементів

Ступені окиснення, які елементи можуть виявляти в різних сполуках, у більшості випадків можна визначити за будовою зовнішнього електронного рівня або за положенням елемента в Періодичній системі.

Атоми металічних елементів можуть тільки віддавати електрони, тому в сполуках вони виявляють позитивні ступені окиснення. Максимальне значення — вищий ступінь окиснення — зазвичай дорівнює числу електронів на зовнішньому рівні, а отже, й номеру групи в Періодичній системі.

Атоми неметалічних елементів можуть виявляти як позитивний, так і негативний ступінь окиснення. Максимальний позитивний ступінь окиснення — вищий ступінь окиснення, як і для металічних елементів, дорівнює числу валентних електронів. А нижчий ступінь окиснення визначається тим, скільки електронів бракує атому, щоб на зовнішньому рівні їх було вісім (табл. 7).

Окрім вищого та нижчого ступеня окиснення багато елементів можуть також виявляти й проміжні ступені окиснення. Визначити їх для s- та p-елементів можна за таблицею 7.

Таблиця 7. Найбільш характерні ступені окиснення s- та р-елементів

Група ПС	І	II	III	IV	V	VI	VII
Вищий ступінь окиснення	+1	+2	+3	+4	+5	+6 (крім O)	+7 (крім F)
Проміжний ступінь окиснення	—	—	—	+2, 0	+3, 0	+4, +2, 0	+5, +3, +1, 0
Нижчий ступінь окиснення	0	0	0	-4	-3	-2	-1

Деякі хімічні елементи не підпадають під ці правила. Серед них Гідроген, Оксиген, Флуор:

Визначення ступенів окиснення в бінарних сполуках

Для визначення ступенів окиснення у сполуках недостатньо знати можливі ступені окиснення елементів. Для цього слід користуватися певними правилами. Насамперед, принципом електронейтральності: оскільки будь-яка речовина є електронейтральною, то сума ступенів окиснення атомів усіх елементів, з яких складається речовина, має дорівнювати нулю.

Алгоритм визначення ступеня окиснення елементів у бінарних сполуках (на прикладі фосфор(V) сульфіду та кальцій фосфіду)

Висновки

1. Ступінь окиснення визначає число прийнятих або відданих електронів. Для одноатомних йонів ступінь окиснення дорівнює заряду йона. В інших випадках він дорівнює заряду на атомі в молекулі або кристалі, обчисленому з припущенням, що всі спільні електронні пари повністю зміщені в бік більш електронегативного елемента.

2. Визначаючи ступінь окиснення, слід пам'ятати, що сума ступенів окиснення всіх атомів у сполуці дорівнює нулю. В атомів більш електронегативного елемента у сполуці ступінь окиснення негативний, а в інших атомів — позитивний.

Контрольні запитання

1. Дайте визначення поняттю «ступінь окиснення».

2. У чому полягає спільність і відмінність понять «ступінь окиснення» і «валентність»?

3. Як можна визначити вищий, нижчий та проміжні ступені окиснення елементів за Періодичною системою?

4. Чому дорівнює нижчий ступінь окиснення металічних елементів?

5. Сформулюйте алгоритм визначення ступенів окиснення елементів у бінарних сполуках.

6. Який ступінь окиснення елементів у простих речовинах? Чому він саме такий?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Визначте валентність і ступінь окиснення всіх елементів за наведеними структурними формулами:

2. За положенням елементів у Періодичній системі визначте можливі валентності й ступені окиснення: а) Калію; б) Магнію; в) Брому; г) Фосфору; д) Сульфуру.

3. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках з Гідрогеном: СН₄, NH₃, H₂S, НСl, СаН₂.

4. Визначте ступені окиснення елементів у речовинах:

а) AlF₃, ВаСl₂, CaS, К₃Р, SnO₂;

б) I₂, N₂O₃, РbСl₄, Сl₂O₇, SbCl₃;

в) ClF3, NaF, Р₄, FeI₂, MgS;

г) CF₄, Ca, CS₂, Al₄C₃, PCl₅;

д) FeS, IBr, TeCl₄, SF₆, NF₃;

е) CS₂, XeO₄, CCl₄, PCl₅, Mn₂O₇.

5. Наведіть формули речовин, у яких ступені окиснення Гідрогену й Карбону дорівнюють їхнім валентностям.