§ 21. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при допущении, что общие электронные пары полностью переходят к более электроотрицательному атому. Это не обязательно настоящий заряд атома, а удобный способ формально распределить электроны и описать состав вещества. Знание степени окисления помогает составлять формулы и разбирать химические реакции.

Положительная степень окисления означает, что при условном расчёте атом отдаёт электронную плотность, а отрицательная степень окисления — что атом её притягивает. Знак показывает направление такого условного перехода, а число — его величину. Благодаря этому можно сравнивать поведение разных элементов в соединениях.

Нулевая степень окисления характерна для атомов простых веществ: H₂, O₂, Fe. Она также относится к каждому атому в частице, состоящей только из одинаковых атомов. В такой частице нельзя выделить более электроотрицательный атом, поэтому условный перенос электронов не происходит.

Постоянная степень окисления — значение, которое элемент обычно имеет в своих соединениях, например +1 у натрия или −1 у фтора. У некоторых элементов степень окисления бывает переменной: железо может иметь +2 и +3, а сера — несколько разных значений. Переменность нужно учитывать при определении состава конкретного вещества.

Как это устроено

Степень окисления связана с электроотрицательностью — способностью атома притягивать к себе общие электроны химической связи. Если два разных атома соединены ковалентной связью, электронная пара обычно смещена к более электроотрицательному атому. При расчёте степени окисления эту пару мысленно передают ему полностью, поэтому электронная плотность распределяется формально, даже если в действительности связь не является полностью ионной.

Степень окисления записывают знаком перед числом и помещают над символом элемента: ⁺¹Na, ⁻²O, ⁺³Al. Ноль обычно записывают как 0 без знака. Не следует путать эту запись с зарядом иона: заряд относится ко всей частице или к отдельному иону, а степень окисления может быть условно приписана атому внутри молекулы, не имеющей настоящих ионов.

В простом веществе степень окисления каждого атома равна нулю, потому что атомы одинаковы и имеют одинаковую электроотрицательность. У одноатомного иона степень окисления совпадает с его зарядом: Na⁺ имеет +1, S²⁻ — −2. В сложном веществе сумму находят для всех атомов, причём она равна общему заряду частицы: для нейтрального соединения это 0, а для сложного иона — заряд иона.

Для вычислений используют наиболее распространённые значения: щелочные металлы имеют +1, щёлочноземельные металлы +2, фтор −1. Кислород обычно имеет −2, а водород обычно +1. Есть исключения: в пероксидах кислород имеет −1, в OF₂ — +2, а в гидридах активных металлов водород имеет −1, поэтому постоянные значения нельзя применять без проверки состава вещества.

Неизвестную степень окисления находят как неизвестное в уравнении. Сначала известное значение умножают на индекс элемента, затем складывают полученные величины и приравнивают их к заряду всей частицы. Такой способ учитывает не только знак степени окисления, но и число атомов каждого элемента в формуле.

Правила определения степени окисления

В таблице собраны основные случаи, которые используются при решении большинства задач. Сначала определите тип частицы, затем найдите известные значения и только после этого составляйте сумму. Индексы показывают, сколько раз степень окисления нужно включить в расчёт.

Разбор задач

Задача 1. Определите степени окисления элементов в H₂, O₂ и Na⁺. Здесь встречаются простые вещества и одноатомный ион. Поэтому для первых двух формул используем правило простого вещества, а для третьей — заряд иона.

1. H₂ состоит только из атомов водорода, поэтому степень окисления каждого атома H равна 0.
2. O₂ состоит только из атомов кислорода, поэтому степень окисления каждого атома O равна 0.
3. Na⁺ — одноатомный ион с зарядом +1, значит, степень окисления Na равна +1.

Ответ: H₂: H 0; O₂: O 0; Na⁺: Na +1. Индекс 2 в формулах простых веществ не меняет результат: он показывает число атомов, а не степень окисления.

Задача 2. Определите степени окисления всех элементов в Na₂O и HCl. В обоих случаях вещества нейтральны, поэтому сумма степеней окисления должна быть равна нулю. Используем типичные значения натрия и водорода, а затем проверяем значения второго элемента.

1. В Na₂O натрий как щелочной металл имеет +1. Для двух атомов вклад равен 2 · (+1) = +2.
2. Чтобы сумма была нулевой, кислород должен иметь −2: +2 + (−2) = 0.
3. В HCl водород обычно имеет +1. Следовательно, хлор имеет −1, так как +1 + (−1) = 0.

Ответ: в Na₂O: Na +1, O −2; в HCl: H +1, Cl −1. Проверка суммой подтверждает оба результата.

Задача 3. Найдите степень окисления серы в SO₄²⁻. Это сложный ион, поэтому сумма степеней окисления равна −2, а не нулю. Кислород здесь обычно имеет −2, и его четыре атома дают общий вклад −8.

1. Обозначим степень окисления серы буквой x.
2. Составим сумму с учётом индекса кислорода: x + 4 · (−2) = −2.
3. Получаем x − 8 = −2, откуда x = +6.

Ответ: S имеет степень окисления +6, а каждый атом O — −2. Проверка: +6 + 4 · (−2) = −2, что совпадает с зарядом иона.

Типичные ошибки

Ошибка 1: принимать степень окисления за реальный заряд атома. Так делают, потому что обе величины записывают со знаком и числом. Проверяйте себя: если речь идёт об атоме внутри молекулы, чаще всего это условная степень окисления, а не отдельный ион.

Ошибка 2: забывать нулевую степень окисления простого вещества. Индекс в H₂ или O₂ иногда ошибочно принимают за значение степени окисления. Убедитесь, что все атомы принадлежат одному элементу: тогда у каждого степень окисления равна 0.

Ошибка 3: приравнивать сумму в сложном ионе к нулю. Нулю равна сумма в нейтральной частице, а ион имеет собственный общий заряд. Перед расчётом перепишите заряд иона и приравняйте сумму именно к нему.

Ошибка 4: не учитывать индексы. В SO₄²⁻ вклад кислорода равен 4 · (−2), а не просто −2. Для проверки умножьте степень окисления каждого элемента на число его атомов и только потом складывайте.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужны понятия химического элемента, простого и сложного вещества, химической формулы, индекса и заряда иона. Особенно важно различать индекс в формуле и заряд частицы: первый показывает число атомов, второй — общий заряд.

Степени окисления используют при составлении формул соединений и расстановке коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях. По изменению степени окисления определяют, какой элемент окисляется, а какой восстанавливается.

Что запомнить

• Степень окисления — условный заряд атома.
• В простом веществе степень окисления каждого атома равна нулю.
• У одноатомного иона степень окисления равна заряду иона.
• В нейтральном соединении сумма степеней окисления равна нулю.
• В сложном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• При подсчёте суммы учитывают число атомов каждого элемента.