§ 18. Степень окисления - условный заряд

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который приписывают ему, предполагая, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательным атомам. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает электроны связи. Такое определение позволяет условно распределить электроны даже в соединении, где они на самом деле не переходят целиком от одного атома к другому.

Положительная степень окисления показывает условную отдачу электронов атомом, отрицательная — их условное присоединение; нулевая означает отсутствие такого смещения в простом веществе. Это помогает быстро различать направления условного перераспределения электронов. Например, знак «−» указывает, что при выбранной модели электронная плотность смещена к этому атому.

Обозначение степени окисления — число со знаком, записываемое над символом химического элемента; знак ставят перед числом. Например, пишут +2, а не 2+, в отличие от записи заряда иона. Такое оформление помогает не смешивать две разные величины и правильно читать формулы и схемы.

Как это устроено

В химической связи электроны притягиваются к атомам неодинаково, потому что элементы обладают разной электроотрицательностью. Если мысленно считать, что общая электронная пара целиком принадлежит более электроотрицательному атому, каждому атому можно приписать условную потерю или получение электронов. Именно это упрощённое распределение и позволяет определить степени окисления, даже если реальный переход электронов не происходил.

В простом веществе атомы одного элемента имеют степень окисления 0: каждый атом одинаково притягивает электроны связи, поэтому при условном распределении они не смещаются к одному из партнёров. Это верно для атомов в молекулах простых веществ и в их формулах, например S₈ или O₂. Нулевое значение не означает, что атомы вообще не связаны или что электронов у них нет.

В соединении степень окисления зависит от состава вещества и от того, с каким атомом связан данный элемент. Электроны мысленно относят к более электроотрицательному партнёру, поэтому один и тот же элемент в разных соединениях может иметь разные значения. При этом степень окисления нельзя автоматически считать реальным зарядом атома: модель полного смещения нужна для расчётов, тогда как электроны в настоящей связи могут быть распределены иначе.

Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном соединении равна нулю, потому что у вещества в целом нет заряда. В сложном ионе сумма равна заряду всей частицы: условные заряды её атомов вместе должны соответствовать этому значению. Это правило служит проверкой: если сумма не совпала с нулём или зарядом иона, значит, где-то не учтён индекс или неверно выбрана степень окисления.

Неизвестную степень окисления находят по составу формулы, используя уже известные значения. Индекс показывает число атомов, поэтому степень окисления каждого элемента умножают на количество его атомов и складывают полученные величины. Сумму приравнивают к нулю для нейтрального соединения или к заряду для сложного иона, а затем решают уравнение с неизвестным.

Основные правила определения степени окисления

Сначала найдите элементы с известными значениями, затем учтите индексы и общее правило суммы. Строки о водороде и кислороде описывают наиболее частые случаи, а не все возможные соединения. Если найденное значение не согласуется с зарядом частицы, перепроверьте формулу и исключения из правил.

Разбор задач

Определить степень окисления серы в простом веществе S₈

В формуле S₈ записаны только атомы серы, значит, перед нами простое вещество, а не соединение разных элементов. В связях между одинаковыми атомами электроны притягиваются одинаково, поэтому условного смещения к одному из них нет. Применим правило для простых веществ.

1. Проверяем, состоит ли вещество из атомов одного элемента: да, это сера.
2. Для каждого атома простого вещества принимаем степень окисления, равную 0.
3. Индекс 8 показывает количество атомов, но не меняет индивидуальную степень окисления каждого из них.

Ответ: степень окисления серы в S₈ равна 0.

Определить степень окисления серы в H₂S

H₂S — нейтральное соединение, поэтому сумма степеней окисления всех его атомов равна нулю. В большинстве соединений водород имеет степень окисления +1. Обозначим неизвестную степень окисления серы буквой x и учтём, что в формуле два атома водорода.

1. Записываем значения: у каждого H степень окисления +1, у S — x.
2. Умножаем значение водорода на его индекс и составляем сумму: 2 · (+1) + x = 0.
3. Находим неизвестное: x = −2.
4. Проверяем: 2 · (+1) + (−2) = 0, как и должно быть в нейтральном веществе.

Ответ: степень окисления серы в H₂S равна −2.

Найти степень окисления марганца в ионе MnO₄⁻

MnO₄⁻ — сложный ион с общим зарядом −1, поэтому сумма степеней окисления его атомов должна быть равна −1. В большинстве соединений кислород имеет степень окисления −2, а в формуле находятся четыре атома кислорода. Пусть степень окисления марганца равна x.

1. Учитываем кислород: четыре атома дают сумму 4 · (−2) = −8.
2. Приравниваем сумму значений марганца и кислорода заряду иона: x + (−8) = −1.
3. Решаем уравнение: x = +7.
4. Проверяем сумму: (+7) + 4 · (−2) = −1, что совпадает с зарядом иона.

Ответ: степень окисления марганца в MnO₄⁻ равна +7.

Типичные ошибки

Считать степень окисления реальным зарядом атома — ошибка: это условная величина, полученная по модели полного смещения электронов связи. Её могут допускать, потому что в определении встречается слово «заряд». Проверка: спросите себя, рассматривается ли отдельный ион или условное распределение электронов в соединении.

Записывать число перед знаком, например 2+, вместо принятой записи +2 над символом элемента, — значит смешивать обозначения степени окисления и заряда иона. Ошибка возникает из-за сходства самих величин и знаков. Проверьте, что знак стоит перед числом в записи степени окисления: +2, −1.

Приписывать атому простого вещества ненулевую степень окисления неверно, даже если его атомы входят в молекулу или кристалл. Иногда формулу принимают за соединение только потому, что в ней есть индекс. Сверьте символы: если указан один элемент, у его атомов степень окисления равна 0.

Приравнивать сумму степеней окисления в сложном ионе к нулю нельзя, если у частицы есть заряд. Это делают, когда переносят правило для нейтральных соединений на все формулы. Перед расчётом проверьте заряд: сумма должна равняться ему, например для MnO₄⁻ — −1.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужно уверенно читать химические формулы: понимать, какой элемент обозначен символом, и учитывать индекс как число атомов. Также пригодятся понятия атома, иона и химической связи, а при объяснении условного смещения — представление об электроотрицательности. Это позволяет отличать формулу нейтрального вещества от записи сложного иона.

Степени окисления используют при составлении формул соединений и при определении окислительно-восстановительных реакций. В таких реакциях одни элементы повышают степень окисления, другие понижают её. Изменение значений помогает расставлять коэффициенты методом электронного баланса.

Что запомнить

• Степень окисления — условный, а не обязательно реальный заряд атома.
• У атомов простых веществ степень окисления равна нулю.
• В нейтральном соединении сумма степеней окисления равна нулю.
• В сложном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• При вычислении суммы учитывают индексы в химической формуле.
• Знак степени окисления записывают перед числом.