Хімія. Повторне видання. 9 клас. Попель

§ 15. Ступінь окиснення хімічного елемента

Матеріал параграфа допоможе вам:

• з’ясувати, що називають ступенем окиснення хімічного елемента;
• складати формули сполук за значеннями ступенів окиснення елементів;
• визначати ступені окиснення елементів за хімічними формулами сполук.

Атоми — електронейтральні частинки. Вони залишаються такими, сполучаючись у молекули простих речовин. Однак на атомах, які містяться в молекулах складних речовин, зазвичай виникають невеликі заряди — позитивні або негативні. Це є наслідком зміщення спільних електронних пар ковалентних зв’язків до атомів більш електронегативних елементів.

• Яку властивість хімічного елемента називають електронегативністю?

Таблиця 2

Значення електронегативності хімічних елементів 1-3 періодів

Період	Групи
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	Н 2,1							He —
2	Li 1,0	Be 1,5	B 2,0	C 2,5	N 3,0	O 3,5	F 4,0	Ne —
3	Na 0,9	Mg 1,2	Al 1,5	Si 1,8	P 2,1	S 2,5	Cl 3,0	Ar —

Якщо уявити, що спільна електронна пара повністю зміститься до атому Хлору (вона вже не буде спільною), то цей атом отримає свій електрон, який брав участь у ковалентному зв’язку, а також електрон від атома Гідрогену. На атомі Хлору виникне заряд -1, а атом Гідрогену, втративши електрон, набуде заряду +1.

Умовний цілочисельний заряд атома в речовині називають ступенем окиснення елемента.

Ступінь окиснення вказують у хімічній формулі над символом елемента, записуючи спочатку знак («+» або «-»), а потім — число:

ВПРАВА 1. Обчислити ступені окиснення хімічних елементів в амоніаку ΝΗ₃.

Розв’язання

У молекулі ΝΗ₃ тривалентний атом Нітрогену сполучений простими ковалентними зв’язками з кожним атомом Гідрогену:

Зв’язок Ν-Η є полярним, бо елементи різняться за електронегативністю: Нітроген більш електронегативний, ніж Гідроген. Передаємо всі три спільні електронні пари атому Нітрогену. У результаті атом Нітрогену отримує заряд -3, оскільки до нього, крім своїх трьох електронів, надходять три електрони від атомів Гідрогену. Кожний атом Гідрогену набуває заряду +1, бо втрачає електрон, передавши його атому Нітрогену.

Запишемо формулу сполуки зі знайденими ступенями окиснення елементів:

Якщо речовина складається з йонів, то ступінь окиснення хімічного елемента, що утворює йон, збігається із зарядом цієї частинки. Наводимо формули двох йонних сполук разом зі ступенями окиснення елементів:

(Нагадуємо, що заряд йона записують справа від символу елемента верхнім індексом, причому спочатку вказують цифру (за винятком одиниці), а потім — знак: Na⁺, Аl³⁺, Сl^-, О^2-.)

Сума ступенів окиснення всіх атомів у кожній речовині дорівнює нулю.

Це — правило електронейтральності речовини. Його ми використовували у 8 класі, складаючи хімічні формули йонних сполук. Наведене правило поширюється і на речовини молекулярної та атомної будови.

Правило електронейтральності допомагає перевірити хімічну формулу складної речовини. Так, формула алюміній оксиду Аl₂О₃ є правильною, оскільки сума ступенів окиснення всіх частинок (фактично — сума зарядів усіх йонів, закладених у формулу сполуки) становить 2 • (+3) + 3 • (-2) = 0.

Ступінь окиснення хімічного елемента може дорівнювати нулю. Нульові значення ступеня окиснення мають елементи у простих речовинах — водні Н₂, сірці S₈, залізі Fe тощо (поясніть це), а також у деяких бінарних сполуках, утворених елементами з однаковою електронегативністю.

Щоб визначати ступені окиснення елементів у сполуках за їхніми хімічними формулами, а також складати формули сполук, потрібно знати такі закономірності:

1) металічні елементи мають у сполуках лише позитивні ступені окиснення;

2) ступінь окиснення Гідрогену у сполуках з неметалічними елементами зазвичай становить +1, а в сполуках із металічними елементами дорівнює -1;

3) Оксиген майже в усіх сполуках виявляє ступінь окиснення -2;

4) Флуор як найбільш електронегативний елемент завжди має в сполуках ступінь окиснення -1;

5) максимальний (позитивний) ступінь окиснення елемента збігається з номером групи, в якій міститься цей елемент;

6) мінімальний (негативний) ступінь окиснення неметалічного елемента дорівнює номеру групи, в якій він перебуває, мінус 8.

ВПРАВА 2. Визначити ступені окиснення хімічних елементів у сполуці, формула якої — К₄Р₂О₇.

Розв’язання

Спочатку з’ясовуємо ступені окиснення Калію та Оксигену.

Калій — металічний елемент. Його ступінь окиснення у сполуці має бути позитивним (закономірність 1) і становить +1, оскільки Калій — елемент І групи (закономірність 5).

Ступінь окиснення Оксигену в сполуці становить -2 (закономірність 3).

Обчислюємо ступінь окиснення Фосфору, скориставшись правилом електронейтральності речовини:

ВПРАВА 3. Скласти формулу сполуки Магнію з Нітрогеном.

Розв’язання

Магній — металічний елемент; він перебуває в II групі та має у сполуках ступінь окиснення +2 (закономірності 1 і 5). Нітроген є неметалічним елементом; він належить до V групи. У сполуці з металічним елементом Нітроген виявляє негативний ступінь окиснення, який становить 5 - 8 = -3 (закономірність 6).

Записуємо формулу сполуки з невідомими індексами і вказуємо ступені окиснення елементів:

Знаходимо найменше число, яке ділиться без залишку на значення ступенів окиснення елементів; це число 6. Поділивши його на 2, отримуємо кількість атомів Магнію у формулі сполуки (6 : 2 = 3), а поділивши на 3 — кількість атомів Нітрогену (6 : 3 = 2).

Формула сполуки — Mg₃N₂.

Ступінь окиснення використовують як універсальну величину, зручну для класифікації речовин, хоча для речовин молекулярної й атомної будови вона має умовний характер. Будь-яка бінарна сполука Оксигену, в якій ступінь окиснення цього елемента становить -2, є оксидом. Речовини Н₂О₂, ВаО₂, OF₂ до оксидів не зараховують, оскільки в перших двох речовинах Оксиген має ступінь окиснення -1, а в третій +2.

Значення ступеня окиснення і валентності хімічного елемента нерідко збігаються (наприклад, Гідрогену в сполуці НСl, Карбону в сполуці СО₂). Проте їх не можна плутати і замінювати одне одним, бо поняття «ступінь окиснення» і «валентність» є різними за змістом. Поняття «валентність» поступово втрачає своє значення в хімії, але залишиться в історії хімічної науки як одне з її перших фундаментальних понять.

ВИСНОВКИ

Ступінь окиснення хімічного елемента — це умовний цілочисельний заряд атома в речовині. Його визначають, повністю зміщуючи спільні електронні пари до атомів більш електронегативних елементів. Ступінь окиснення елемента в його йоні збігається із зарядом йона.

Сума ступенів окиснення всіх атомів у речовині дорівнює нулю. Це — правило електронейтральності. Його використовують, складаючи формули сполук різної будови.

Значення ступеня окиснення і валентності хімічного елемента можуть збігатися.

108. Дайте означення поняття «ступінь окиснення хімічного елемента».

109. Яких мінімального та максимального значень може набувати ступінь окиснення:

• а) металічного елемента;
• б) неметалічного елемента?

110. Які максимальні та мінімальні значення ступенів окиснення можуть мати Силіцій, Літій, Манган, Селен, Фосфор?

111. Визначте і вкажіть у наведених формулах речовин ступені окиснення елементів: NaH, P₂S₅, Br₂, ССl₄, H₂S, Li₃N, AlP.

112. Складіть формули оксидів, у яких:

• а) Хлор має ступені окиснення +1 і +7;
• б) Арсен має ступені окиснення +3 та +5.

113. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках із такими формулами: KOH, H₂SO₄, Н₃РO₄, СаСO₃, NaNO₂, Mg(NO₃)₂.

114. Чим різняться поняття «валентність» і «ступінь окиснення»?

115. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках за графічними формулами їхніх молекул:

Зіставте знайдені ступені окиснення зі значеннями валентності елементів у цих сполуках.