16. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении. Её записывают арабской цифрой со знаком над символом элемента: Fe⁺³, O⁻². Эта величина нужна, чтобы проследить условное распределение электронов и рассчитать состав вещества.

Положительная и отрицательная степень окисления показывают условную отдачу или присоединение электронов атомом. Положительное значение означает, что атом как будто отдал электроны, а отрицательное — что присоединил их. Такое обозначение помогает сравнивать превращения элементов в разных соединениях.

Нулевая степень окисления — значение, которое имеют атомы в простых веществах. Например, в O₂, Fe и S₈ степень окисления равна 0. Это связано с тем, что атомы одного элемента не перетягивают общие электроны друг у друга.

Постоянная и переменная степень окисления характеризуют способность элемента иметь одно или несколько значений в разных соединениях. Например, натрий почти всегда имеет +1, а железо может иметь +2 или +3. Знание этого свойства позволяет выбрать правильное значение при разборе формулы.

Как это устроено

Степень окисления является условной, потому что в соединении электроны часто остаются общими для связанных атомов. Чтобы получить удобный расчётный показатель, мысленно считают, что общие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому. Поэтому полученный знак не всегда означает существование настоящего отдельного иона с таким зарядом.

В простом веществе атомы одинаковы по электроотрицательности, поэтому ни один из них не считается принявшим общие электроны. Их условные заряды взаимно не разделяются, и степень окисления каждого атома равна 0. В сложном веществе элементы различаются по способности притягивать электроны, поэтому одним атомам приписывают положительные, а другим отрицательные значения.

Для определения степеней окисления используют правила. У щелочных металлов в соединениях обычно +1, у щелочноземельных +2, у фтора −1. Водород обычно имеет +1, кислород −2, но в гидридах металлов водород равен −1, а в пероксидах кислород равен −1.

Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном соединении равна 0, потому что само вещество не имеет общего заряда. В сложном ионе сумма равна заряду иона: например, для SO₄²⁻ она должна быть −2. При подсчёте учитывают не только значение для одного атома, но и число таких атомов по индексу.

Неизвестную степень окисления находят через уравнение. Сначала записывают известные значения, затем умножают каждое на индекс элемента и приравнивают сумму к 0 или заряду иона. После вычисления результат проверяют обратной подстановкой: общая сумма должна точно соответствовать заряду частицы.

Основные правила определения степеней окисления

Сначала определите, к какому случаю относится формула, и примените подходящее правило. Затем учитывайте индексы: они показывают число атомов каждого элемента. Если значение неизвестно, найдите его через сумму степеней окисления.

Разбор задач

1. Определите степени окисления элементов в NaCl.

Это соединение нейтрально, поэтому сумма степеней окисления натрия и хлора должна быть равна нулю. Натрий относится к щелочным металлам, а хлор в данном соединении получает противоположное значение.

1. Для натрия записываем типичную степень окисления: Na⁺¹.
2. В формуле по одному атому каждого элемента, поэтому сумма имеет вид +1 + x = 0.
3. Находим x: x = −1, значит хлор имеет степень окисления −1.

Ответ: Na⁺¹Cl⁻¹. Проверка: +1 + (−1) = 0.

2. Определите степень окисления серы в H₂SO₄.

Водород обычно имеет +1, а кислород — −2. Серу обозначим буквой x, потому что её значение нужно найти, и обязательно учтём индексы двух атомов водорода и четырёх атомов кислорода.

1. Записываем сумму для нейтральной молекулы: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0.
2. Упрощаем выражение: 2 + x − 8 = 0.
3. Получаем x − 6 = 0, откуда x = +6.

Ответ: степень окисления серы равна +6. Проверка: 2 · (+1) + (+6) + 4 · (−2) = 0.

3. Определите степень окисления марганца в KMnO₄ и объясните значение кислорода.

Калий — щелочной металл, поэтому его степень окисления равна +1. Кислород здесь считают обычным оксидом, а не частью пероксида: атомы кислорода не соединены в группы O—O, и для этой формулы действует обычное правило −2.

1. Пусть степень окисления марганца равна x.
2. Составляем сумму: (+1) + x + 4 · (−2) = 0.
3. Получаем 1 + x − 8 = 0, поэтому x = +7.
4. Проверяем: +1 + (+7) − 8 = 0.

Ответ: марганец имеет степень окисления +7, кислород — −2. Значение −1 для кислорода применялось бы в пероксиде, а KMnO₄ к пероксидам не относится.

Типичные ошибки

Ошибка — считать степень окисления настоящим зарядом иона в любом соединении. Её допускают из-за похожей записи со знаком, но это условная величина для расчётов. Проверьте себя: спросите, действительно ли вещество состоит из отдельных ионов, или речь идёт о молекуле.

Ошибка — принимать индекс элемента за степень окисления. Индекс показывает число атомов, а степень окисления — условный заряд одного атома и записывается со знаком. Для проверки сначала выпишите значение над символом, а индекс используйте только как множитель.

Ошибка — забывать нулевое значение в простом веществе. Даже если формула содержит несколько атомов, например O₂ или S₈, все они принадлежат одному элементу. Убедитесь, что в формуле нет второго элемента: тогда степень окисления равна 0.

Ошибка — всегда считать кислород −2 и водород +1. Эти правила имеют исключения: кислород в пероксидах равен −1, а водород в гидридах металлов — −1. Проверьте состав вещества и только потом подставляйте типичное значение.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужны знания о строении атома, валентных электронах, электроотрицательности и формулах простых и сложных веществ. Степени окисления помогают составлять формулы по валентностям и уравнивать окислительно-восстановительные реакции. Позже они понадобятся при изучении окисления, восстановления и метода электронного баланса.

Что запомнить

• Степень окисления — условный заряд атома в соединении.
• Степень окисления записывают со знаком перед числом.
• В простых веществах степень окисления равна 0.
• В нейтральном соединении сумма степеней окисления равна 0.
• В сложном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• Кислород обычно имеет степень окисления −2, а водород +1.
• Для определения неизвестной степени окисления используют состав вещества и правило суммы.