§ 18. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который находят, считая химические связи ионными. Это условная модель: в настоящей связи электроны могут быть распределены между атомами, а не полностью переданы одному из них. Поэтому степень окисления не всегда совпадает с реальным зарядом атома, но помогает сравнивать вещества и записывать реакции.

У атомов простого вещества степень окисления равна нулю. Простое вещество состоит из атомов одного элемента, и в связи между одинаковыми атомами общие электроны условно не смещаются ни к одному из них. Это правило применяют, например, к H₂, O₂ и Fe.

Степень окисления бывает положительной, отрицательной или нулевой. Если при условном распределении электронов атом как будто отдаёт их, его значение положительно; если получает — отрицательно. Знак показывает направление такого условного смещения, а не обязательно наличие настоящего иона.

Высшая и низшая степени окисления — наибольшее и наименьшее значения, которые может иметь атом элемента в соединениях. Их связывают с возможностью атома условно отдавать или присоединять электроны. Эти понятия помогают оценить, как элемент может вести себя в реакциях, но конкретное значение определяют по составу вещества.

Как это устроено

Чтобы определить степень окисления, сравнивают электроотрицательность атомов. Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны химической связи. При условном расчёте всю электронную пару относят к более электроотрицательному атому: он получает отрицательное значение, а второй атом — положительное. Такой приём позволяет одинаково учитывать связи в разных соединениях.

Знак степени окисления показывает результат условного перераспределения электронов. Атом, которому приписали отдачу электронов, получает знак «плюс», а атом, к которому электроны условно перешли, — знак «минус». Если связь образована одинаковыми атомами, распределять электронную пару в пользу одного из них оснований нет. Поэтому в простом веществе степень окисления каждого атома равна нулю.

В нейтральном веществе общий заряд равен нулю, поэтому и сумма степеней окисления всех атомов должна дать ноль. Это не означает, что каждый атом имеет нулевое значение: положительные и отрицательные значения компенсируют друг друга. Если в формуле несколько атомов одного элемента, его степень окисления учитывают столько раз, сколько таких атомов указано индексом.

У сложного иона есть общий заряд, поэтому сумма степеней окисления его атомов равна именно этому заряду. Ион NH₄⁺, например, имеет заряд +1, а не нулевой; это и будет сумма для всех его атомов. Такое правило помогает найти неизвестную степень окисления: известные значения складывают, неизвестное обозначают буквой и составляют уравнение.

В задачах используют постоянные и наиболее распространённые значения. Щелочные металлы в соединениях обычно имеют +1, щёлочноземельные — +2, а фтор — −1; кислород чаще всего имеет −2, водород в соединениях с неметаллами — +1. Эти значения связаны с обычным распределением электронов между атомами. Слова «обычно» и «чаще всего» важны: у кислорода и водорода бывают исключения, поэтому результат проверяют по сумме степеней окисления.

Основные правила определения степени окисления

Сначала найдите строку, подходящую к каждому элементу формулы, а затем примените правило суммы. Учитывайте индексы: значение степени окисления одного атома нужно умножить на число таких атомов. Если известных правил недостаточно, неизвестное значение находят из общего уравнения суммы.

Разбор задач

Задача 1. Степени окисления в H₂, O₂ и Fe

Определите степени окисления элементов в простых веществах H₂, O₂ и Fe. Здесь не нужно сравнивать электроотрицательность разных элементов: каждое вещество состоит только из атомов одного элемента. Применим правило для простых веществ.

1. Установим, что H₂ — простое вещество, так как в нём только атомы водорода.
2. Запишем для атомов водорода степень окисления 0. По той же причине у атомов кислорода в O₂ она равна 0.
3. Fe — простое вещество, состоящее из атомов железа, поэтому у них также степень окисления 0.

Ответ: H₂: H — 0; O₂: O — 0; Fe: Fe — 0. Индекс в формуле показывает число атомов, но не меняет правило для простого вещества. Поэтому и у отдельных атомов, и у всех атомов вместе степень окисления нулевая.

Задача 2. Степень окисления серы в H₂S

Найдите степень окисления серы в нейтральном веществе H₂S. Водород в соединении с неметаллом обычно имеет степень окисления +1. Поскольку у молекулы нет общего заряда, сумма значений для всех атомов должна быть равна нулю.

1. Обозначим степень окисления серы буквой x, а для двух атомов водорода запишем 2 · (+1).
2. Составим уравнение для нейтрального вещества: 2 · (+1) + x = 0.
3. Вычислим: 2 + x = 0, значит, x = −2.

Ответ: степень окисления серы в H₂S равна −2. Проверка: два атома водорода дают суммарно +2, а сера — −2; вместе получается 0. Именно индекс 2 перед H учитывает два вклада водорода.

Задача 3. Степень окисления азота в NH₄⁺

Определите степень окисления азота в сложном ионе NH₄⁺. Водород в соединении с неметаллом обычно имеет значение +1, а заряд всего иона равен +1. Значит, сумму значений азота и четырёх атомов водорода нужно приравнять не к нулю, а к заряду иона.

1. Обозначим степень окисления азота через x. Для четырёх атомов водорода запишем 4 · (+1).
2. Составим уравнение: x + 4 · (+1) = +1.
3. Получим x + 4 = 1, откуда x = −3.

Ответ: степень окисления азота в NH₄⁺ равна −3. Проверка: −3 + 4 = +1, что совпадает с зарядом иона. Если бы сумму ошибочно приравняли к нулю, результат не соответствовал бы заряду частицы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать степень окисления реальным зарядом атома в любом веществе. Её принимают за заряд, потому что в определении мысленно рассматривают передачу электронов. Но связь может быть общей, и условный расчёт не показывает точный реальный заряд атома. Проверяйте себя: речь идёт о значении для отдельного атома по правилу распределения электронов или о заряде всей частицы?

Ошибка: приписывать атомам простого вещества заряд иона. Так бывает, если правило о простых веществах путают с зарядом атомов в соединениях. В H₂, O₂ и Fe степень окисления равна нулю, независимо от того, какие ионы могут образовывать эти элементы. Перед вычислением проверьте, состоит ли формула только из атомов одного элемента.

Ошибка: приравнивать сумму в ионе к нулю. Ноль используют для нейтральных веществ, поэтому это правило по привычке переносят на заряженную частицу. У иона сумма должна совпадать с его зарядом, например +1 для NH₄⁺. Проверьте, есть ли у формулы знак заряда, и только после этого составьте уравнение.

Ошибка: считать значения кислорода −2 и водорода +1 без исключений. Эти значения действительно типичны, поэтому их легко принять за неизменные. Но в некоторых соединениях они отличаются, а правило суммы всё равно должно выполняться. Если расчёт не даёт правильной суммы, проверьте, не относится ли вещество к исключениям.

Связь с другими темами

Для определения степени окисления нужны знания о составе атома, электроотрицательности и химической связи: по ним объясняют условное смещение электронов. Эти значения помогают составлять формулы соединений и расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях. В таких реакциях сравнивают степени окисления до и после превращения: их изменение позволяет различать окисление и восстановление. Поэтому правила суммы становятся инструментом для анализа химических процессов.

Что запомнить

• Степень окисления — условный заряд атома.
• У атомов простого вещества степень окисления равна нулю.
• Сумма степеней окисления в нейтральном веществе равна нулю.
• Сумма степеней окисления в сложном ионе равна заряду иона.
• Фтор в соединениях имеет степень окисления −1.
• Кислород обычно имеет степень окисления −2, а водород — +1.
• Неизвестную степень окисления находят по сумме известных и неизвестных значений.