§ 18. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный так, будто общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому. Это не всегда настоящий заряд атома, а удобный способ описывать распределение электронов. Такая модель помогает сравнивать вещества и разбирать химические превращения.

Положительная степень окисления условно означает, что атом отдал электроны, а отрицательная — что приобрёл их. Знак ставят перед числом: например, +2 или −1. Знак показывает направление условного смещения электронов и нужен для правильного сложения степеней окисления.

Нулевая степень окисления — значение атомов в простом веществе, состоящем из одного химического элемента. Например, в O₂, Fe и S₈ степень окисления каждого атома равна 0. Это правило позволяет сразу определить её, не зная строения вещества.

В ионе степень окисления — условный заряд атома или группы атомов. Сумма степеней окисления всех атомов в многоатомном ионе равна заряду всего иона. Это правило используют, чтобы найти неизвестную степень окисления, когда известны остальные.

Как это устроено

Степень окисления называют условной, потому что электронные пары в связи далеко не всегда полностью переходят от одного атома к другому. Но для расчёта мысленно представляют именно такой полный переход. Тогда проще определить, на каком атоме условно сосредоточились бы электроны и какой знак получил бы его заряд. Эта договорённость позволяет одинаково описывать вещества с разными типами химической связи.

Чтобы решить, какой знак поставить, сравнивают электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны. Более электроотрицательному атому приписывают отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательному — положительную. В молекуле воды кислород притягивает общие электронные пары сильнее водорода, поэтому кислороду приписывают отрицательное, а водороду положительное значение. Знак показывает направление условного смещения электронов, а не просто заряд всего вещества.

В простом веществе соединены атомы одного элемента, поэтому их электроотрицательность одинакова и общие электроны не смещаются к одному из них. Отсюда следует нулевая степень окисления, например у каждого атома Fe или O₂. В нейтральном соединении общий заряд также равен нулю, поэтому положительные и отрицательные степени окисления взаимно компенсируются. В ионе итоговая сумма, напротив, должна совпасть с его зарядом.

Для расчётов используют правила, основанные на типичных свойствах элементов. Щелочные металлы в соединениях обычно имеют +1, а щёлочноземельные металлы — +2; фтор в соединениях имеет −1. Кислород обычно имеет −2, а водород — +1, однако водород в соединениях с металлами обычно получает −1. Слово «обычно» важно: в частности, у кислорода есть исключения, которые нельзя игнорировать.

Если степень окисления неизвестна, сначала выписывают известные значения и учитывают индексы — число атомов каждого элемента в формуле. Затем складывают полученные значения: сумма равна нулю для нейтрального вещества и заряду для иона. Неизвестную величину находят из уравнения. Степень окисления не равна валентности: она имеет знак и служит условным зарядом, тогда как валентность показывает число связей атома и записывается без знака.

Основные правила определения степени окисления

Сначала найдите в таблице случай, который подходит к веществу, и определите известные значения. Затем проверьте, нейтрально ли вещество или это ион, и используйте нужную сумму. Если известны не все значения, учитывайте индексы и найдите неизвестное по уравнению.

Разбор задач

Задача 1. Определить степени окисления элементов в K₂O.

1. Калий — щелочной металл, поэтому в соединении его степень окисления равна +1. Кислород в этом соединении обычно имеет −2. Формула нейтральна, значит, сумма значений с учётом числа атомов должна дать ноль.
2. В формуле два атома калия и один атом кислорода. Считаем: 2 · (+1) + (−2) = 0. Условие для нейтрального соединения выполнено.

Ответ: K(+1), O(−2).

Задача 2. Определить степень окисления серы в H₂SO₄.

1. Водород обычно имеет +1, кислород — −2. Обозначим степень окисления серы через x, а число атомов каждого элемента возьмём из индексов формулы: два атома водорода, один серы и четыре кислорода.
2. Соединение нейтрально, поэтому составляем равенство: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0. Получаем 2 + x − 8 = 0, откуда x = +6.

Ответ: степень окисления серы равна +6.

Задача 3. Определить степени окисления элементов в NH₄⁺ и KMnO₄.

1. Для NH₄⁺ водород имеет +1, а неизвестную степень окисления азота обозначим x. Заряд иона равен +1, значит, x + 4 · (+1) = +1. Отсюда x = −3.
2. В KMnO₄ калий имеет +1, кислород — −2, а степень окисления марганца обозначим y. Соединение нейтрально: (+1) + y + 4 · (−2) = 0. Следовательно, y = +7.

Ответ: в NH₄⁺ азот имеет −3, водород +1; в KMnO₄ калий имеет +1, марганец +7, кислород −2.

Типичные ошибки

Степень окисления путают с валентностью, потому что обе характеристики связаны со строением соединений. Но степень окисления записывается со знаком и складывается алгебраически, а валентность знака не имеет. Проверка: если в ответе для валентности появился знак плюс или минус, понятия смешаны.

Иногда при расчётах забывают индексы и складывают только значения для разных элементов. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в формулу, поэтому его пропуск меняет сумму. Проверяйте себя так: отдельно умножьте степень окисления каждого элемента на число его атомов, а потом сложите результаты.

Правила для кислорода и водорода применяют без учёта исключений. Так происходит потому, что типичные значения встречаются часто, но в пероксидах кислород имеет −1, а в соединениях с активными металлами водород обычно −1. Перед расчётом проверьте, не относится ли вещество к исключению, особенно если полученная сумма не сходится.

Сумму степеней окисления всегда приравнивают к нулю, хотя это верно только для нейтральных веществ. У многоатомного иона сумма должна быть равна заряду иона, поэтому для NH₄⁺ она равна +1. Сверьте формулу с условием: если рядом указан заряд, используйте его, а не ноль.

Связь с другими темами

Чтобы находить степень окисления, нужно уметь читать химические формулы и индексы, различать простые и сложные вещества и понимать валентность. Представление о строении атома помогает разобраться, откуда берётся смещение электронов, а электроотрицательность показывает его направление. Степень окисления пригодится при составлении формул веществ, определении окислителя и восстановителя и изучении окислительно-восстановительных реакций. Поэтому эта тема связывает знания о химической связи с разбором превращений веществ.

Что запомнить

• Степень окисления — условный заряд атома в соединении.
• В простых веществах степень окисления равна 0.
• В нейтральном соединении сумма степеней окисления равна 0.
• В многоатомном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• Кислород обычно имеет степень окисления −2, а водород обычно +1.
• Степень окисления записывают со знаком перед числом.
• Степень окисления нельзя отождествлять с валентностью.