§ 57. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, вычисляемый при допущении, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательным атомам. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает электроны связи. Степень окисления записывают числом со знаком, например +1 или −2, и используют, чтобы описывать распределение электронов и разбирать состав веществ.

Положительная степень окисления — условный заряд атома, если при таком расчёте он отдаёт электроны или смещает их от себя. Например, у натрия в NaCl степень окисления +1. Знак «плюс» показывает, что при условном распределении электронов натрий оказывается менее богат ими, чем был бы без такого смещения.

Отрицательная степень окисления — условный заряд атома, если при расчёте он принимает электроны или смещает их к себе. Например, у хлора в NaCl степень окисления −1. Это значение помогает увидеть, какой атом сильнее притягивает общие электроны в химической связи.

Нулевая степень окисления — степень окисления атомов в простых веществах, например в O₂ и Fe. Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, поэтому при расчёте электроны не смещаются преимущественно к какому-либо другому элементу. Ноль служит отправной точкой для сравнения со степенями окисления элементов в соединениях.

Как это устроено

Степень окисления называют условной, потому что при расчёте применяют мысленное правило, а не измеряют фактический заряд каждого атома. В ковалентной связи атомы делят электронную пару, и электроны не обязательно полностью переходят от одного атома к другому. Например, в молекуле воды связи между атомами ковалентные, но для определения степеней окисления общие электроны условно относят к кислороду. Такой способ позволяет сравнивать вещества и проводить расчёты по формулам.

Знак степени окисления связан с электроотрицательностью, то есть способностью атома притягивать электроны связи. Если один атом притягивает общую электронную пару сильнее, при условном распределении электроны относят к нему: у него обычно получается отрицательная степень, а у партнёра — положительная. В NaCl это наглядно: хлор электроотрицательнее натрия, поэтому хлору приписывают −1, натрию +1. Этот принцип помогает предварительно определить знаки, хотя конкретные числа нужно проверять по правилам суммы.

Для расчёта используют два правила суммы. В нейтральном соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, поскольку у всей формулы нет общего заряда. В сложном ионе сумма равна заряду иона: у SO₄²⁻ она составляет −2, а не ноль. Эти равенства позволяют найти неизвестную степень окисления, если значения остальных атомов известны.

Часто встречающиеся значения упрощают вычисления. У щелочных металлов в соединениях обычно +1, у щёлочноземельных металлов — +2; водород в большинстве соединений имеет +1, кислород — −2. Слово «обычно» важно: эти правила относятся к большинству случаев и не заменяют проверку формулы. Учитывая такие значения, можно составить сумму и определить оставшуюся неизвестную величину.

Степень окисления элемента бывает постоянной или переменной. Например, натрий в обычных соединениях имеет +1, а сера может иметь разные значения в разных веществах. Чтобы найти неизвестное значение, берут известные степени окисления, учитывают количество атомов по индексам и используют правило суммы. Так формула вещества сама задаёт условие для вычисления.

Правила определения степеней окисления

Сначала определите, простое ли перед вами вещество, нейтральное соединение или сложный ион, а затем выберите подходящее правило. Если значение неизвестно, используйте степени окисления, указанные в таблице, и умножайте их на число соответствующих атомов. Формулировки «обычно» и «в большинстве» напоминают, что отдельные исключения следует проверять дополнительно.

Разбор задач

Задача 1. Определить степень окисления серы в H₂S, если водород имеет степень окисления +1. Формула нейтральная, поэтому сумма значений должна дать ноль. В ней два атома водорода и один атом серы. Обозначим степень окисления серы буквой x.

1. Запишем сумму с учётом индекса у водорода: 2·(+1) + x = 0.
2. Сложим известные значения: 2 + x = 0, значит, x = −2.
3. Проверим сумму: 2·(+1) + (−2) = 0.

Ответ: степень окисления серы в H₂S равна −2. Проверка показывает, что сумма соответствует нейтральной формуле.

Задача 2. Определить степень окисления серы в H₂SO₄. Водород обычно имеет +1, кислород — −2, а вся формула нейтральна. В ней два атома водорода и четыре атома кислорода, поэтому их значения нужно учесть с индексами. Обозначим неизвестную степень окисления серы через x.

1. Составим равенство: 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0.
2. Посчитаем известные слагаемые: 2 + x − 8 = 0, то есть x − 6 = 0.
3. Найдём x: x = +6; проверка даёт 2 − 8 + 6 = 0.

Ответ: сера в H₂SO₄ имеет степень окисления +6. Положительное значение не противоречит наличию кислорода: оно получено по правилу суммы с учётом всех атомов.

Задача 3. Определить степень окисления марганца в ионе MnO₄⁻. Кислород обычно имеет −2, а заряд всего сложного иона равен −1. Следовательно, сумму нужно приравнять именно к −1. В ионе четыре атома кислорода и один атом марганца; неизвестное значение обозначим x.

1. Запишем равенство: x + 4·(−2) = −1.
2. Упростим: x − 8 = −1.
3. Прибавим 8 к обеим частям: x = +7; проверим: 7 − 8 = −1.

Ответ: степень окисления марганца в MnO₄⁻ равна +7. Результат проверен по заряду иона, а не по нулю.

Типичные ошибки

Ошибка — считать степень окисления реальным зарядом атома в любом соединении. Так можно подумать, потому что величину записывают со знаком «плюс» или «минус», как заряд иона. Но в ковалентных связях электроны могут быть общими, а степень окисления получается по условному правилу. Проверяйте себя: если атомы не образуют простые ионы, не делайте вывод о фактическом переносе электронов только по знаку.

Ошибка — приравнивать сумму степеней окисления в сложном ионе к нулю. Нулевую сумму используют для нейтральной формулы, поэтому это правило легко применить по привычке и к заряженной частице. У иона есть общий заряд, и сумма должна совпадать с ним. Перед вычислением проверьте, есть ли у формулы заряд, и запишите его в правой части равенства.

Ошибка — забывать индексы и учитывать степень окисления элемента только один раз. Например, в H₂SO₄ водород встречается два раза, а кислород — четыре, поэтому каждый из них даёт несколько слагаемых в общей сумме. Индекс показывает число атомов, на которое нужно умножить значение. Для проверки перечислите элементы формулы, отметьте их индексы и сравните полученное равенство с исходной записью.

Ошибка — считать, что у каждого элемента всегда одна и та же степень окисления. Постоянные значения некоторых элементов могут создать такое впечатление, но у многих элементов степень окисления меняется от соединения к соединению. Нельзя переносить найденное значение на другую формулу без проверки. Определяйте его для конкретного вещества и проверяйте по значениям остальных элементов и правилу суммы.

Связь с другими темами

Чтобы уверенно находить степени окисления, нужно знать состав атома, химические символы и формулы веществ. Особенно важно уметь читать индексы: они показывают число атомов каждого элемента в формуле. Также нужно различать простые и сложные вещества, поскольку у атомов простого вещества степень окисления равна нулю, а в соединениях используют правила суммы.

Степени окисления помогают составлять формулы соединений: по значениям элементов можно подобрать соотношение атомов, при котором выполняется правило суммы. Позже этот же способ станет полезен при изучении окислительно-восстановительных реакций, где отслеживают изменение степеней окисления. Поэтому навык расчёта связывает запись формул с пониманием химических превращений.

Что запомнить

• В простом веществе степень окисления атома равна 0.
• Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна 0.
• Сумма степеней окисления в сложном ионе равна заряду иона.
• В большинстве соединений водород имеет степень окисления +1.
• В большинстве соединений кислород имеет степень окисления −2.
• При поиске неизвестной степени окисления учитывают индексы всех атомов.