§ 54. Валентность и степень окисления

Определения и обозначения

Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Её обозначают римскими цифрами без знака: например, валентность водорода — I, а кислорода во многих соединениях — II. Это обозначение помогает сравнивать, сколько связей образуют атомы, и составлять формулы веществ.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный так, будто общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательным атомам. Её записывают арабской цифрой со знаком, например +I или −II. Это не всегда настоящий заряд атома, а удобный способ учитывать распределение электронов и составлять уравнения.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Если один атом притягивает их сильнее, ему приписывают отрицательную степень окисления, а его партнёру — положительную. Сравнение электроотрицательностей помогает установить знак, но само по себе не даёт числового значения степени окисления.

Индекс — маленькая цифра справа внизу от символа элемента, показывающая число его атомов в формуле; если цифры нет, атом один. Коэффициент перед формулой показывает число молекул или других частиц и умножает количество каждого атома в ней. Их важно различать: при расчёте суммы степеней окисления учитывают индекс, а коэффициент относится ко всей частице.

Как это устроено

Валентность и степень окисления описывают соединение с разных сторон. Число связей отвечает на вопрос, как атом соединён с соседями, а степень окисления — как распределились бы электроны при условном переносе. Поэтому эти числа не обязаны совпадать: связь может быть полярной, но атом при этом сохраняет то же число связей.

В структурной формуле валентность находят, считая связи атома с другими атомами: одинарная связь считается за одну, двойная — за две, тройная — за три. Если структура не дана, в простом соединении можно использовать известные валентности и индексы. Например, в H₂S два атома водорода с валентностью I дают в сумме две связи, которые приходятся на атом серы.

Знак степени окисления связан с направлением смещения электронов. Более электроотрицательный атом условно забирает общую электронную пару и получает отрицательное значение, а менее электроотрицательный — положительное. В простом веществе, например O₂ или Fe, атомы одного элемента равно притягивают общие электроны, поэтому степень окисления каждого атома равна нулю.

Правило суммы следует из сохранения общего заряда частицы. У нейтрального соединения суммарный заряд равен нулю, поэтому степени окисления всех атомов, умноженные на их количество, должны в сумме дать ноль. У сложного иона общий заряд не нулевой, и сумма должна ему равняться; так можно составить уравнение с неизвестной степенью окисления.

Валентность может не совпадать со степенью окисления, потому что первая считает связи, а вторая условно распределяет электроны. В H₂O₂ каждый атом кислорода образует две одинарные связи, значит, его валентность II, но степень окисления равна −I. В SO₃ у серы степень окисления +VI, тогда как валентность в школьной структурной модели — VI; совпадение в этом случае не означает, что понятия одинаковы.

Валентность и степень окисления: сравнение

Сначала определите, какую характеристику спрашивают: число связей или условный заряд. Затем выберите подходящий столбец и правило, не перенося знак степени окисления на валентность. При расчёте суммы умножайте степень окисления на число атомов, указанное индексом.

Разбор задач

Задача 1. Определите валентность серы в соединении H₂S, считая валентность водорода равной I. Нужно установить число связей, а не условный заряд атома, поэтому используем валентности и индексы. В молекуле два атома водорода, и каждый образует одну связь.

1. Учитываем индекс 2 у водорода: два атома H дают две связи по одной.
2. Приравниваем общее число связей водорода к числу связей серы в соединении: на серу приходятся две связи.
3. Записываем результат римской цифрой, поскольку требуется валентность.

Ответ: валентность серы в H₂S равна II.

Задача 2. Найдите степень окисления серы в SO₃, если у кислорода она обычно равна −II. Обозначим неизвестное значение для серы буквой x. Формула нейтральная, поэтому сумма степеней окисления всех атомов должна быть равна нулю.

1. Учитываем индекс 3: кислород даёт суммарно 3·(−2) = −6.
2. Составляем уравнение: x + 3·(−2) = 0.
3. Получаем x − 6 = 0, откуда x = +6.

Ответ: степень окисления серы в SO₃ равна +VI, или +6. Индекс у серы отсутствует, значит, в формуле один атом серы.

Задача 3. Определите валентность и степень окисления каждого элемента в H₂O₂; известно, что степень окисления водорода равна +I. Здесь нельзя подменять одну характеристику другой: валентность найдём по связям, а степени окисления — по правилам их расчёта. H₂O₂ — пероксид, поэтому кислород в нём имеет степень окисления −I.

1. В структуре H–O–O–H каждый водород образует одну связь, а каждый кислород — две: с водородом и с другим кислородом.
2. Следовательно, валентность H равна I, а валентность O — II.
3. Для проверки степеней окисления учитываем два атома каждого элемента: 2·(+1) + 2·(−1) = 0.

Ответ: у водорода валентность I и степень окисления +I; у кислорода валентность II и степень окисления −I.

Типичные ошибки

Ошибка: считать валентность и степень окисления одним и тем же. Их могут перепутать, потому что обе характеристики связаны с атомами в соединениях и записываются числами. Проверьте себя вопросом: нужно сосчитать связи или найти условный заряд? Например, в H₂O₂ валентность кислорода II, а степень окисления −I.

Ошибка: записывать валентность со знаком плюс или минус. Знаки привычно переносят со степеней окисления, хотя валентность показывает только число связей. Сверьте запись: валентность обозначают римской цифрой без знака, а степень окисления — числом со знаком.

Ошибка: умножать степень окисления только на видимые индексы и забывать атом без цифры. Это происходит, когда считают, что значение имеет лишь явно написанный индекс. Подставьте подразумеваемую единицу: например, в SO₃ у серы один атом, поэтому её значение входит в сумму один раз.

Ошибка: считать, что кислород всегда имеет степень окисления −II. Это обычное правило часто запоминают без исключений, но в пероксидах, например H₂O₂, у кислорода −I. Проверьте тип вещества и после расчёта убедитесь, что сумма значений совпадает с общим зарядом частицы.

Связь с другими темами

Для работы с валентностью и степенью окисления нужно уверенно читать химические формулы, различать индексы и коэффициенты и знать, что такое химическая связь. Понимание состава атома помогает представить, откуда берутся общие электронные пары, а представление об электроотрицательности — почему они смещаются. Эти знания связывают запись формулы с устройством вещества.

Степени окисления используют при составлении формул и уравнений окислительно-восстановительных реакций: по их изменениям определяют, какие частицы отдают или принимают электроны. Валентность помогает описывать состав и строение веществ, в частности число связей атомов. Обе характеристики нужны для разбора формул, но применяются по разным правилам.

Что запомнить

• Валентность показывает число связей атома и не имеет знака.
• Степень окисления — условная величина, которую записывают со знаком.
• В простом веществе степень окисления каждого элемента равна нулю.
• Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю.
• В сложном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• Валентность и степень окисления одного элемента могут различаться.