"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Степень окисления — условный заряд атома, который помогает описывать распределение электронов в веществе и составлять формулы. Её определяют, мысленно относя общие электроны к более электроотрицательному атому. В простых веществах степень окисления равна нулю, а в нейтральном соединении сумма значений для всех атомов равна нулю. Эти правила позволяют находить неизвестную степень окисления по химической формуле.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который рассчитывают, считая общие электронные пары полностью смещёнными к более электроотрицательным атомам. Это не обязательно настоящий заряд атома: величина нужна, чтобы условно описывать распределение электронов и выполнять расчёты по формуле вещества.
Положительная степень окисления — условный заряд со знаком «+». Она обычно возникает у атома, от которого мысленно отнесли электронную плотность к более электроотрицательному соседу. Такое обозначение помогает показать, какой атом при условном распределении электронов оказывается «обеднён» ими.
Отрицательная степень окисления — условный заряд со знаком «−». Обычно её приписывают атому, к которому при мысленном расчёте относят общую электронную пару. Знак показывает направление условного смещения электронной плотности, а не обязательно фактический заряд атома.
Нулевая степень окисления — значение, которое имеет атом элемента в простом веществе. Простое вещество состоит из атомов одного элемента, поэтому нулевое значение служит исходным правилом для распознавания и расчёта степеней окисления. Знак записывают перед числом: например, +2 или −1.
В химической связи электроны могут быть общими для двух атомов, но притягиваются к ним неодинаково. Способность атома притягивать общие электроны называется электроотрицательностью. Чтобы приписать связи числа и сравнивать атомы в разных соединениях, мысленно считают, что общая электронная пара целиком перешла к более электроотрицательному атому. Поэтому степень окисления называют условной: такой полный переход может не происходить в действительности.
Знак определяют, сравнивая электроотрицательности связанных элементов. Атом, который сильнее притягивает электронную плотность, обычно получает отрицательную степень окисления, а его менее электроотрицательный партнёр — положительную. Например, в воде кислород электроотрицательнее водорода, поэтому кислород имеет отрицательное значение, а водород — положительное. Это правило помогает предположить знаки, но для точного значения нужно также учитывать всю формулу и известные правила.
В простом веществе, например H₂ или O₂, соединены атомы одного элемента, и ни один из них не притягивает общую пару сильнее другого. При условном распределении электроны не переходят преимущественно к какому-либо атому, поэтому степень окисления каждого атома равна нулю. В нейтральном соединении положительные и отрицательные условные заряды взаимно компенсируются. Отсюда следует правило: сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной формуле равна нулю.
Если известны степени окисления части элементов, неизвестную находят из правила суммы. Сначала учитывают индексы: степень окисления каждого элемента умножают на число его атомов, а затем складывают полученные значения. Для нейтрального соединения эту сумму приравнивают к нулю и решают уравнение. У некоторых элементов значения меняются от вещества к веществу, потому что состав соединения и электроотрицательность соседних атомов различны; у ряда элементов, напротив, есть характерные значения, которые упрощают расчёт.
| Ситуация или правило | Степень окисления | Пример |
|---|---|---|
| Атом в простом веществе | 0 | H₂, O₂, Fe |
| Сумма степеней окисления в нейтральном соединении | 0 | H₂O: сумма равна 0 |
| Водород в большинстве соединений | +1 | H₂O |
| Кислород в большинстве соединений | −2 | CO₂ |
| Фтор в соединениях | −1 | HF |
| Степень окисления щелочного металла в соединениях | +1 | NaCl |
При решении сначала найдите, подходит ли к формуле одно из характерных правил, а затем используйте сумму степеней окисления. Слова «в большинстве соединений» напоминают, что для кислорода и водорода бывают исключения. Всегда учитывайте число атомов, указанное индексом.
Задача 1. Определите степени окисления элементов в простых веществах H₂, O₂ и Fe. Все три формулы обозначают простые вещества: каждое состоит из атомов только одного элемента. Поэтому не требуется сравнивать электроотрицательности или составлять уравнение суммы. Применим правило для атомов простого вещества.
Ответ: в H₂ у H — 0; в O₂ у O — 0; в Fe у Fe — 0. Индексы ₂ показывают число атомов, но не меняют нулевое значение каждого атома в простом веществе.
Задача 2. Определите степень окисления серы в H₂S, если водород имеет степень окисления +1. H₂S — нейтральное соединение, значит, сумма степеней окисления его атомов равна нулю. В формуле два атома водорода и один атом серы. Обозначим неизвестную степень окисления серы буквой x.
Ответ: степень окисления серы в H₂S равна −2. Проверка показывает, что условные заряды двух атомов водорода и одного атома серы взаимно компенсируются.
Задача 3. Определите степени окисления элементов в H₂SO₄, используя характерные значения водорода и кислорода. Водород в большинстве соединений имеет значение +1, а кислород — −2. Неизвестное значение серы обозначим x. Поскольку молекула нейтральна, сумма значений с учётом индексов должна равняться нулю.
Ответ: в H₂SO₄ у водорода степень окисления +1, у кислорода −2, у серы +6. При проверке учтены все два атома водорода и четыре атома кислорода.
Степень окисления иногда принимают за реальный заряд атома или иона. Путаница возникает потому, что оба понятия записывают со знаком, но степень окисления получают условным расчётом, а заряд иона характеризует заряженную частицу. Проверяйте себя вопросом: речь идёт об отдельном ионе или о распределении электронов в соединении? Условная величина не должна автоматически считаться фактическим зарядом.
Ещё одна ошибка — забыть знак или поставить его после числа: например, записать 1− вместо −1. Причина часто в том, что при вычислении сосредотачиваются только на числовом значении. По принятой записи знак ставят перед числом, как в примерах +2 и −1. Перед ответом отдельно проверьте и величину, и знак.
Нельзя считать, что степень окисления каждого атома в соединении равна нулю. Нулю равна сумма степеней окисления всех атомов нейтрального соединения, а значения отдельных элементов могут быть ненулевыми. Ошибку помогает заметить подстановка полученных значений в сумму: она должна дать ноль. Для отдельного атома нулевое значение верно, например, в простом веществе.
При составлении суммы иногда забывают умножить значение на индекс элемента. Например, в H₂SO₄ вклад кислорода равен 4 · (−2), а не просто −2. Индекс показывает количество атомов, поэтому каждый из них вносит свой вклад в общую сумму. Перепишите формулу и отметьте число атомов каждого элемента, затем проверьте, что в расчёте учтён каждый индекс.
Для расчётов нужно уметь читать химические формулы: отличать простое вещество от сложного и понимать, что индекс показывает число атомов элемента. Знак степени окисления связан с электроотрицательностью — способностью атома притягивать общие электроны. Полученные значения помогают составлять и проверять формулы веществ. Позже они пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, где степени окисления элементов изменяются.
Чем степень окисления отличается от заряда иона?
Заряд иона — реальный электрический заряд частицы, возникший при потере или присоединении электронов. Степень окисления — условный заряд атома: её находят, мысленно передавая общие электронные пары более электроотрицательным атомам. Поэтому значение степени окисления не всегда совпадает с фактическим зарядом атома.
Почему степень окисления атома в простом веществе равна нулю?
В простом веществе атомы одного элемента имеют одинаковую электроотрицательность. Общие электроны не смещаются преимущественно к одному из атомов, поэтому при условном расчёте ни одному из них не приписывают заряд.
Как определить знак степени окисления элемента в соединении?
Сравните электроотрицательность элементов: у более электроотрицательного атома степень окисления обычно отрицательная, у менее электроотрицательного — положительная. Например, в H₂O кислород электроотрицательнее водорода, поэтому его степень окисления отрицательна, а водорода — положительна.
Как найти степень окисления, если она неизвестна?
Сначала определите известные степени окисления, затем умножьте каждое значение на число соответствующих атомов. Для нейтрального соединения приравняйте сумму к нулю и решите уравнение. В конце проверьте, что сумма действительно равна нулю.
Почему степень окисления одного элемента может быть разной в разных веществах?
Элемент может соединяться с атомами разной электроотрицательности и образовывать вещества разного состава. Поэтому распределение электронов и условный заряд атома меняются. Например, сера имеет степень окисления −2 в H₂S и +6 в H₂SO₄.
§ 47. Степень окисления
