Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко (2025)

§ 40. Поняття про ступені окиснення хімічних елементів

• Пригадай, що називають валентністю та як її позначають.

• Склади формули фосфор(V) оксиду, карбон(II) оксиду, сульфур(VI) фториду. (У разі потреби звернись до тексту параграфа 3.) Який вид хімічного зв’язку в цих сполуках? Як він утворився?

• Що означають записи Са²⁺, Сl^-?

Опрацюй. Зрозумій. Використай

ВАЛЕНТНІСТЬ І ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК. Утворення речовин вчені спершу пояснювали, користуючись поняттям валентності. Валентність тлумачили як кількість хімічних зв’язків, які атом може утворити з іншими атомами. Валентність має цілочисельне значення і позначається римськими числами від І до VIII. З позиції електронної теорії хімічного зв’язку стало зрозуміло, що поняття валентності справджується лише відносно сполук із ковалентним хімічним зв’язком.

Завдання 1. Змоделюй утворення хімічних зв’язків у молекулах водню, азоту, кисню, метану. За кількістю хімічних зв’язків визнач валентність кожного атома у складених формулах.

У йонних сполук немає ні молекул, ні атомів, ні спільних електронних пар. Цей вид зв’язку утворюється між різнойменно зарядженими йонами.

Поняття валентності стосується речовин із ковалентним зв’язком, у молекулах яких атоми зв’язуються спільною електронною парою/парами.

У йонних сполуках зв’язок утворюється між йонами, тому для них валентність як фізична величина не має сенсу.

ЩО НАЗИВАЮТЬ СТУПЕНЕМ ОКИСНЕННЯ ХІМІЧНОГО ЕЛЕМЕНТА? Щоб послуговуватись єдиним підходом до складання формул речовин різної будови (з ковалентними та йонним хімічними зв’язками), в науку було введено поняття «ступінь окиснення».

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома у речовині, обчислений на основі припущення, що спільні електронні пари зміщені до атома більш електронегативного елемента.

Ступінь окиснення є цілим числом (додатнім чи від’ємним) або може дорівнювати нулю:

Щоб не плутати позначення заряду йону і ступеня окиснення, ступінь окиснення записують над символом елемента і перед ним позначають знак заряду. Зверни увагу, що числове значення 1 у зарядах йонів не пишуть, а в ступенях окиснення записують (таблиця 31).

Таблиця 31

Елемент	Позначення йона	Позначення ступеня окиснення
Калій	К⁺	К⁺¹
Оксиген	О^2-	O^-2
Хлор	Сl^-	Сl^-1

У йонних сполуках ступінь окиснення і заряд йона збігаються за величиною і зарядом. У ковалентних сполуках ступінь окиснення обчислюють, припускаючи, що спільні для двох атомів електронні пари перейшли на електронну оболонку більш електронегативного атома. Елемент із більшою електронегативністю має негативний ступінь окиснення, з меншою — позитивний.

Приклад 1. Калій хлорид КСl складається з йонів К⁺і Сl^-. Ступені окиснення збігаються із зарядами йонів:

Приклад 2. Молекула тетрабромометану СВr₄ складається з одного атома Карбону й чотирьох атомів Брому, що поєднані ковалентними зв’язками. Скориставшись рядом електронегативності, з’ясовуємо, що Бром має більшу електронегативність, тому спільні електронні пари зміщені до його атомів:

За кількістю зміщених електронних пар встановлюємо, що ступінь окиснення Карбону дорівнює +4, Брому — -1:

Завдання 2. Визнач кількість спільних електронних пар у молекулі гідроген сульфіду H₂S. До якого атома вони зміщені? Які ступені окиснення елементів у цій сполуці?

Для більшості хімічних елементів числові значення ступеня окиснення й валентності збігаються. Не збігаються вони у двоатомних молекулах неметалів — валентність дорівнює кількості спільних електронних пар, а ступінь окиснення має нульове значення, оскільки спільні електронні пари не зміщуються до жодного з атомів.

Завдання 3. Поясни, чому в наведених прикладах атоми мають однаковий ступінь окиснення і різну валентність.

Хоча валентність і ступінь окиснення — нетотожні поняття, валентність дотепер вказують у назвах йонних сполук, наприклад: купрум(ІІ) оксид, ферум(ІІІ) оксид, купрум(ІІ) сульфат.

Електронна природа хімічного зв’язку дала змогу сформулювати правила, що стосуються ступенів окиснення хімічних елементів. Ці правила полегшують складання формул / формульних одиниць речовин за відомими ступенями окиснення хімічних елементів.

1. Ступінь окиснення елемента у вільному стані (простій речовині) нульовий.
2. Металічні елементи у сполуках мають тільки позитивний ступінь окиснення, числове значення якого дорівнює кількості відданих валентних електронів.
3. Флуор у складних речовинах має позитивний ступінь окиснення -1, у простій речовині фторі ступінь окиснення Флуору дорівнює 0.
4. Оксиген у складних речовинах має ступінь окиснення -2 (винятки: сполука з Флуором, пероксиди), у простій речовині — кисні ступінь окиснення Оксигену 0.
5. Ступінь окиснення Гідрогену у сполуках з неметалічними елементами дорівнює +1, з металами -1, у водні — 0.
6. Максимально можливий позитивний ступінь окиснення елементів головних підгруп дорівнює їх номеру (виняток: Сu⁺², О⁺², Вr⁺⁵ та деякі інші).
7. Мінімальний ступінь окиснення неметалічних елементів дорівнює різниці числа 8 і номера групи короткої форми періодичної таблиці.
8. У бінарних сполуках неметалічних елементів елемент з меншою електронегативністю має позитивний ступінь окиснення, елемент з більшою електронегативністю — негативний ступінь окиснення.
9. У будь-якій молекулі чи йонному кристалі алгебраїчна сума позитивних ступенів окиснення дорівнює сумі негативних.

ЯК ВИЗНАЧИТИ СТУПЕНІ ОКИСНЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ У БІНАРНІЙ СПОЛУЦІ? Оскільки алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх елементів у речовині дорівнює нулю, то за відомим ступенем окиснення одного елемента можна визначити ступінь окиснення іншого без розгляду механізму утворення хімічного зв’язку в ній.

Приклад 3. Визначимо ступінь окиснення Фосфору за формулою оксиду Р₂О₃.

Міркування:

1. Більш електронегативний Оксиген має ступінь окиснення -2.

2. Алгебраїчна сума ступенів окиснення Оксигену дорівнює -6:

-2 • 3 = -6.

3. Алгебраїчна сума ступенів окиснення Фосфору має дорівнювати +6.

4. Обчислюємо ступінь окиснення Фосфору в цій сполуці:

+6 : 2 = +3.

Відповідь: ступінь окиснення Фосфору у сполуці Р₂О₃ дорівнює +3.

У формулах бінарних сполук прийнято першим записувати елемент із позитивним ступенем окиснення. Є винятки, наприклад амоніак NH₃. Тому слід орієнтуватись на розглянутий алгоритм, а не на послідовність запису символів елементів у формулі.

Завдання 4. Визнач ступені окиснення Нітрогену у формулах: N₂, N₂O, N₂O₃, Li₃N, NO₂, NH₃, Mg₃N₂.

ЯК СКЛАСТИ ФОРМУЛУ БІНАРНОЇ СПОЛУКИ ЗА ЗНАЧЕННЯМИ СТУПЕНІВ ОКИСНЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ? Розглянемо складання формули бінарної сполуки на конкретному прикладі (таб. 32).

Таблиця 32

Алгоритм складання хімічної формули речовини за відомими ступенями окиснення елементів

Завдання. Скласти формулу бінарної сполуки Оксигену і Феруму зі ступенем окиснення +3
Послідовність дій	Результат дії
Записуємо символи елементів	FeO
Позначаємо над символами елементів ступені окиснення	Fe⁺³O^-2
Обчислюємо найменше спільне кратне для числових значень ступенів окиснення обох елементів	6

Закінчення таблиці 32

Послідовність дій	Результат дії
Почерговим діленням спільного кратного на числове значення ступенів окиснення елементів знаходимо індекси	індекс Феруму — 2, індекс Оксигену — 3
Відповідь	Fe₂O₃

ПЛІЧ-О-ПЛІЧ

Завдання 1. Користуючись правилами визначення ступенів окиснення, складіть формули зазначених сполук Хлору:

Завдання 2. Попрацюйте з відповідями учня / учениці. Чи з усіма погоджуєтесь? Якщо маєте власну думку, то озвучте її групі й аргументуйте.

1. Оксиген і Нітроген мають однаковий ступінь окиснення, але різну валентність.
2. В оксидах СrО і СrО₃ Хром має однаковий ступінь окиснення.
3. Ступінь окиснення Карбону у вуглекислому газі дорівнює ступеню його окиснення у метані.

ТОБІ ДО СНАГИ

1. Сформулюй визначення ступеня окиснення, поясни, чи тотожне воно з поняттям валентності.

2. Поясни на основі електронної теорії хімічного зв’язку, чому металічні хімічні елементи у сполуках мають позитивний ступінь окиснення.

3. Який елемент у сполуці, формула якої SF₆, має позитивний ступінь окиснення, а який — негативний? Аргументуй свою відповідь.

4. Склади формули оксидів Мангану Мn зі ступенями окиснення +2, +4, +6, +7.

5. Чи може Флуор набувати позитивного ступеня окиснення, а Сульфур — негативного?

6. Увідповідни формулу оксиду і ступінь окиснення елемента в ньому.

Формула оксиду

1 Сr₂О₃
2 МnО₂
3 V₂O₅
4 MgO

Ступінь окиснення

А +1
Б +2
В +3
Г +4
Д +5

7. Склади формули бінарних сполук Нітрогену з Натрієм, Магнієм, Алюмінієм, Калієм.

Зміст