§ 37. Электроотрицательность. Степень окисления. Строение вещества

Определения и обозначения

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Это относительная характеристика: её используют, чтобы сравнить атомы и понять, какой из них сильнее притягивает электроны в связи. Чем больше электроотрицательность, тем сильнее такое притяжение.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при допущении, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому. Она записывается со знаком, например +1 или −2. Это понятие нужно для анализа состава веществ и химических реакций.

Ковалентная связь — связь, возникающая благодаря общим электронным парам. Если электроотрицательности атомов неодинаковы, пара смещается к тому из них, который сильнее притягивает электроны. Так объясняют полярность ковалентной связи и определяют условные степени окисления.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. В её узлах могут находиться молекулы, атомы или ионы, а в металлах — атомы и обобществлённые электроны. По частицам в узлах и взаимодействиям между ними различают типы строения веществ и объясняют их свойства.

Как это устроено

При образовании ковалентной связи два атома пользуются общей электронной парой. Если атомы притягивают электроны с разной силой, пара распределяется неравномерно: ближе оказывается к более электроотрицательному атому. Поэтому в связи между одинаковыми атомами смещения нет, а между разными оно возможно. Это смещение позволяет судить о полярности связи.

Электроотрицательность помогает предсказать направление смещения, даже если точные численные значения не нужны. В периоде заряд ядра растёт, а внешний электронный слой не добавляется, поэтому притяжение общих электронов обычно усиливается слева направо. В главных подгруппах сверху вниз увеличивается число электронных слоёв, и внешние электроны оказываются дальше от ядра. Поэтому электроотрицательность обычно уменьшается; фтор притягивает общую пару сильнее всех элементов.

Чтобы определить степень окисления, мысленно считают связь ионной и передают общие электроны более электроотрицательному атому. Ему приписывают отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательному — положительную. Такое правило условно: в ковалентной связи электроны не обязательно переходят целиком. Оно нужно для единого способа учитывать распределение электронов в соединении.

Для проверки расчёта используют сумму степеней окисления. В нейтральном веществе она равна нулю, а в сложном ионе — его заряду, потому что сумма условных зарядов должна соответствовать общему заряду частиц. Если известны степени окисления одних элементов, по этому правилу находят неизвестную. При подсчёте каждый вклад умножают на число атомов элемента в формуле.

Одного состава вещества недостаточно, чтобы описать его свойства: важно, как частицы расположены и связаны. В молекулярной решётке в узлах находятся молекулы, в атомной — атомы, в ионной — ионы, а металлическое строение связано с атомами металла и общими подвижными электронами. Силы между частицами и прочность связей различаются, поэтому отличаются твёрдость, температуры плавления и электропроводность. Так строение помогает объяснить, почему вещества с разным составом и связями ведут себя неодинаково.

Типы строения веществ и их особенности

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какие частицы образуют вещество и находятся в узлах его решётки. Затем сопоставьте их с типом связи или взаимодействия и ожидаемыми свойствами. Примеры помогают увидеть, к какому типу строения относится вещество.

Разбор задач

Задача 1. Определите степени окисления элементов в молекуле H₂O, если водород в соединениях обычно имеет степень окисления +1. Молекула нейтральна, поэтому сумма степеней окисления должна быть равна нулю. Учитываем, что атомов водорода два, а кислорода один.

1. Записываем вклад водорода: 2 · (+1) = +2.
2. Обозначаем степень окисления кислорода через x и составляем сумму: +2 + x = 0.
3. Решаем уравнение: x = −2. Проверяем: +2 + (−2) = 0.

Ответ: водород имеет степень окисления +1, кислород — −2. Проверка нулевой суммы подтверждает результат.

Задача 2. Найдите степень окисления серы в H₂SO₄, если водород имеет +1, а кислород −2. Формула относится к нейтральному веществу, поэтому сумма всех вкладов равна нулю. Сначала учитываем количества атомов известных элементов, затем находим неизвестное значение для серы.

1. Два атома водорода дают вклад 2 · (+1) = +2.
2. Четыре атома кислорода дают вклад 4 · (−2) = −8.
3. Пусть степень окисления серы равна x. Составляем уравнение: +2 + x − 8 = 0, откуда x = +6.

Ответ: степень окисления серы в H₂SO₄ равна +6. Проверка: +2 + 6 − 8 = 0.

Задача 3. Определите степень окисления азота в ионе NH₄⁺, если водород имеет +1. Это сложный ион с зарядом +1, поэтому сумма степеней окисления должна равняться не нулю, а +1. Четыре атома водорода вместе дают вклад +4.

1. Обозначаем степень окисления азота через x.
2. Приравниваем сумму к заряду иона: x + 4 · (+1) = +1.
3. Вычитаем 4 из обеих частей: x = −3. Проверяем: −3 + 4 = +1.

Ответ: степень окисления азота в NH₄⁺ равна −3. Равенство суммы заряду иона показывает, почему здесь нельзя использовать правило для нейтрального вещества.

Типичные ошибки

Считать степень окисления реальным зарядом атома. Это условная величина, особенно в ковалентных соединениях, где электронная пара обычно лишь смещена. Ошибка возникает из-за слова «заряд» в определении. Проверьте себя: не делайте вывод о полном переходе электронов, если связь ковалентная.

Путать степень окисления с валентностью. Степень окисления имеет знак и определяется условным смещением электронов, а валентность характеризует число связей атома. Их путают, потому что обе величины описывают поведение элемента в соединении. Проверьте запись: наличие знака указывает на степень окисления, но не на валентность.

Забывать учитывать число атомов. Если в формуле несколько атомов одного элемента, их общий вклад равен степени окисления, умноженной на количество атомов. Ошибка часто появляется при составлении уравнения по формуле. Перед вычислением пересчитайте индексы и проверьте каждый множитель.

Приравнивать сумму степеней окисления в сложном ионе к нулю. Для иона сумма должна совпасть с его зарядом, иначе расчёт не сохранит общий заряд частицы. Нулевую сумму используют для нейтрального вещества, поэтому эти случаи легко перепутать. Проверьте, есть ли у формулы заряд, и укажите его справа в уравнении суммы.

Связь с другими темами

Для понимания электроотрицательности нужно знать строение атома, электронные оболочки и образование химической связи: эти знания объясняют притяжение общих электронов. Сравнение электроотрицательностей помогает разбирать полярность ковалентной связи и различать характер химической связи. Степени окисления используют при составлении формул и уравнений окислительно-восстановительных реакций, где одни частицы отдают электроны, а другие принимают их.

Что запомнить

• Электроотрицательность показывает, насколько атом притягивает общую электронную пару.
• Фтор — наиболее электроотрицательный элемент.
• В связи электронная пара смещается к более электроотрицательному атому.
• Степень окисления — условная величина со знаком.
• В нейтральном веществе сумма степеней окисления равна нулю.
• В сложном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• Тип строения вещества связан с частицами в узлах решётки и характером связей.