Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

4.9. Ступінь окиснення

Для запису окисно-відновних реакцій користуються поняттям ступеня окиснення.

Ступінь окиснення — це умовна величина заряду атома елемента, яка визначається з припущення, що речовина має йонний тип хімічного зв’язку, тобто спільна електронна пара повністю належить атому більш електронегативного елемента.

На відміну від заряду йона, вказуючи ступінь окиснення, спочатку ставлять знак, а потім числове значення: -3, -1, +2, +5... Ступінь окиснення вказують зверху над символом елемента.

Зміна ступенів окиснення під час перебігу окисно-відновних реакцій обумовлена повним або частковим переходом електронів від атомів (чи йонів) одного елемента до атомів (чи йонів) другого елемента. Закономірність зміни ступенів окиснення елементів у сполуках можна умовно подати за допомогою такого фрагмента числової осі:

1. Ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю.

2. Ступінь окиснення Флуору як найбільш електронегативного елемента в усіх сполуках дорівнює -1.

3. Ступінь окиснення Оксигену — -2, крім сполуки з Флуором OF₂ (+2) і пероксидів: Na₂O₂, К₂О₄, Н₂О₂ (-1).

4. Ступінь окиснення Гідрогену — +1, крім сполук з активними металічними елементами: КН, СаН₂ (-1).

5. Ступені окиснення металічних елементів завжди позитивні +n (n — валентність металічного елемента):

6. Ступені окиснення неметалічних елементів можуть бути як позитивними, так і негативними:

7. Арифметична сума ступенів окиснення всіх елементів сполуки дорівнює нулю.

8. Ступінь окиснення може не збігатися з валентністю і, на відміну від неї, може мати додатне, нульове або від’ємне значення. Наприклад:

Ступінь окиснення елементів у сполуках, як видно з наведених вище прикладів, можна визначити і за графічною формулою.

9. В одній молекулі різні атоми можуть набувати різних ступенів окиснення. Наприклад, у молекулі глюкози ступені окиснення атомів Карбону становлять -1, 0, +1. Арифметична сума ступенів окиснення всіх атомів, які входять до складу електронейтральної сполуки, дорівнює нулю:

Це правило поширюється на речовини будь-якої будови — йонної, молекулярної, атомної.

10. Найвищий (позитивний) ступінь окиснення елемента, зазвичай, відповідає номеру групи в періодичній таблиці, де розміщений елемент (виняток: Оксиген не набуває ступеня окиснення +6, Флуор — ступеня окиснення +7). Мінімальний (негативний) ступінь окиснення неметалічного елемента визначають кількістю електронів, яких не вистачає до завершення зовнішнього електронного шару (до октету — 8 електронів):

Номер групи / Ступінь окиснення	I	II	III	IV	V	VI	VII
максимальний (позитивний)	+ 1	+2	+3	+4	+5	+6	+7
мінімальний (негативний)	-	-	-	-4	-3	-2	-1

Нижче наведено таблицю, куди занесено всі відомі ступені окиснення перших 35 хімічних елементів; найбільш характерні виділено напівжирним накресленням. Ступінь окиснення перших інертних елементів дорівнює нулю:

			-1	Н	+1
				Не
				Li	+1
				Be		+2
			-1	В	+1	+2	+3
-4	-3	-2	-1	С	+1	+2	+3	+4
	-3	-2	-1	N	+1	+2	+3	+4	+5
		-2	-1	О	+1	+2
			-1	F
				Ne
				Na	+1
				Mg		+2
				Al	+1		+3
-4	-3	-2	-1	Si	+1	+2	+3	+4
	-3	-2	-1	P	+1	+2	+3	+4	+5
		-2	-1	S	+1	+2	+3	+4	+5	+6
			-1	Cl	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7
				Ar
				К	+1
				Ca		+2
				Sc	+1	+2	+3
				Ті		+2	+3	+4
				V	+1	+2	+3	+4	+5
				Cr	+1	+2	+3	+4	+5	+6
				Mn		+2	+3	+4	+5	+6	+7
				Fe		+2	+3	+4		+6	+8
				Co		+2	+3	+4		+6
				Ni		+2		+4		+6
				Cu	+1	+2	+3
				Zn		+2
				Ga	+1	+2	+3
				Ge	+1	+2	+3	+4
				As		+2	+3		+5
				Se		+2		+4		+6
				Br	+1		+3	+4	+5		+7

Приклади:

1. Під час зміни ступеня окиснення Нітрогену від +5 до -3 відбувається приєднання 8 e^-, що записують:

2. Під час зміни ступеня окиснення Сульфуру від +6 до +4 відбувається приєднання 2 електронів:

3. Нітроген змінює ступінь окиснення від -3 до +2:

4. Сульфур змінює ступінь окиснення від -2 до +4:

5. Оксиген у складі кисню під час окисно-відновної реакції змінює ступінь окиснення від 0 до -2. Записуючи процес відновлення, враховують склад молекули кисню, а саме — те, що вона складається з двох атомів Оксигену¹:

¹ Якщо в процесі окиснення чи відновлення бере участь проста речовина, молекула якої складається з двох (Сl₂, О₂, N₂, Н₂, Вr₂, I₂) або трьох (О₃) атомів, то в електронній схемі записують формулу цієї речовини.

6. Хлор змінює ступінь окиснення від -1 до нуля (утворюється газ хлор Сl₂):

7. Азот N₂ змінює ступінь окиснення Нітрогену від нуля до -3:

Типові окисники та продукти їхнього відновлення

Типові відновники та продукти їхнього окиснення

Що більша електронегативність елемента, то сильніші окисні властивості він виявляє.

Неметалічні (S, Cl, N, С) та низка металічних елементів (Fe, Mn, Cu, Pb, Сr) можуть утворювати сполуки, в яких вони мають різні ступені окиснення, а тому в реакціях можуть виявляти різні властивості:

окисні, якщо ступінь окиснення елемента в сполуці високий (H₂SO₄(конц.), HNO₃, КМnО₄, FeCl₃);
відновні, якщо ступінь окиснення елемента низький (NH₃, H₂S, НСl);
і окисні, і відновні властивості (SO₂, KNO₂), у проміжних ступенях окиснення елемента (тих значеннях, що лежать між найнижчими і найвищими).

1. Якщо до складу речовини входить елемент з найвищим ступенем окиснення, то він може лише його знижувати. Отже, така речовина здатна приєднувати електрони, а тому в окисно-відновних реакціях вона виявляє лише окисні властивості, тобто є окисником. Наприклад:

властивості нітратної кислоти HNO₃ визначаються ступенем окиснення Нітрогену (+5), а це найвищий ступінь окиснення для цього елемента;
концентрована сульфатна кислота H₂SO₄ містить Сульфур з найвищим ступенем окиснення Сульфуру (+6), а тому може брати участь лише в процесах відновлення;
властивості калій перманганату КМnО₄ обумовлюються найвищим ступенем окиснення Мангану (+7), а тому калій перманганат може виявляти лише окисні властивості.

2. Якщо до складу речовини входить елемент з найнижчим ступенем окиснення, то він може його лише підвищувати. Тобто така речовина віддаватиме електрони, а тому в реакціях виявлятиме властивості відновника:

сірководень H₂S містить Сульфур з найнижчим ступенем окиснення (-2), а тому може лише віддавати електрони;
амоніак NH₃ містить Нітроген з його найнижчим ступенем окиснення (-3), а тому він здатний лише до віддачі електронів.

3. Якщо до складу речовини входить елемент, що виявляє проміжний ступінь окиснення, то він може бути і окисником, і відновником:

сульфур(ІV) оксид SO₂ містить Сульфур з проміжним ступенем окиснення (-2 — найнижчий, +6 — найвищий), а тому він буде виявляти окисні чи відновні властивості залежно від реагенту, тобто речовини, з якою SO₂ взаємодіє. Якщо ця речовина є типовим окисником, то сульфур(ІV) оксид виявлятиме відновні властивості: