12.1. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при предположении, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому. Её записывают со знаком перед числом: например, +2 или −1. Эта величина помогает единообразно описывать распределение электронов и сравнивать состав разных веществ.

Положительная степень окисления означает, что при условном распределении электронная плотность смещена от атома, отрицательная — что она смещена к нему. Нулевое значение соответствует отсутствию такого смещения. В простом веществе, состоящем из атомов одного элемента, степень окисления каждого атома равна нулю.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Если в связи соединены атомы разных элементов, при расчёте пару относят к более электроотрицательному из них. Это правило позволяет определить, какому атому приписывают условный отрицательный, а какому — положительный вклад.

Электронейтральность соединения означает, что суммарный заряд нейтрального вещества равен нулю. Поэтому сумма степеней окисления всех атомов в его формуле тоже должна быть нулевой. Для иона сумма, напротив, равна заряду всей частицы; это условие используют, чтобы находить неизвестные значения.

Как это устроено

Степень окисления вводят как расчётную модель: в большинстве ковалентных соединений электроны не переходят от одного атома к другому полностью. Поэтому атом в такой связи не обязательно имеет реальный заряд, равный записанной степени окисления. Модель условно превращает связи в перенос электронов и позволяет сравнивать вещества по изменению электронного состояния атомов.

Чтобы распределить общую электронную пару, сравнивают электроотрицательности связанных атомов. Пару целиком относят к тому атому, который сильнее её притягивает; если атомы одинаковые, распределение не создаёт преимущества ни для одного из них. Так объясняется знак степени окисления: более электроотрицательный атом получает условно отрицательный вклад, а второй — положительный.

В простом веществе, например O₂ или Fe, связаны атомы одного элемента. Их электроотрицательности одинаковы, поэтому электронная плотность не смещается к одному из атомов и степень окисления принимают равной нулю. У одноатомного иона перенос электронов уже выражен реальным зарядом частицы: у Fe³⁺ степень окисления равна +3.

Для неизвестной степени окисления применяют закон сохранения суммарного заряда. В нейтральном веществе сумма условных вкладов должна дать ноль; в многоатомном ионе — его заряд. Если неизвестное значение обозначить x, то достаточно составить уравнение с учётом числа атомов каждого элемента в формуле и решить его.

У некоторых элементов в соединениях часто встречаются одни и те же степени окисления: щелочные металлы обычно имеют +1, щёлочноземельные — +2, фтор — −1. У других элементов значение меняется в зависимости от партнёров по связи и состава вещества. Кислород обычно равен −2, но в пероксидах имеет −1, а в OF₂ — +2; водород обычно +1, но в гидридах металлов равен −1. Исключения возникают из-за особого состава вещества и относительной электроотрицательности элементов.

Основные правила определения степеней окисления

Пользуйтесь таблицей в таком порядке: сначала проверьте, не относится ли частица к простому веществу или одноатомному иону, затем примените правила для отдельных элементов. Неизвестное значение находите последним — из уравнения для суммы степеней окисления. Обязательно учитывайте исключения для кислорода и водорода.

Разбор задач

Задача 1. Определите степени окисления элементов в простом веществе O₂ и в ионе Fe³⁺. Нужно различить частицу из атомов одного элемента и одноатомный ион. Эти случаи имеют готовые правила, поэтому вычислять условную сумму по формуле не требуется.

1. O₂ — простое вещество, состоящее только из атомов кислорода. Для любого атома простого вещества степень окисления равна 0.
2. Fe³⁺ — одноатомный ион железа с зарядом +3. Степень окисления такого иона совпадает с его зарядом.

Ответ: в O₂ у кислорода 0; в Fe³⁺ у железа +3. Не следует переносить правило для иона на атом железа в сложном веществе: там степень окисления определяют по общей формуле.

Задача 2. Найдите степень окисления серы в H₂SO₄. Водород в соединении с неметаллом обычно имеет +1, кислород — −2. Обозначим степень окисления серы через x и применим электронейтральность молекулы.

1. В формуле два атома H и четыре атома O, поэтому их суммарные вклады равны 2·(+1) и 4·(−2).
2. Молекула нейтральна, значит составляем уравнение: 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0.
3. Упрощаем: 2 + x − 8 = 0, откуда x = +6.

Ответ: степень окисления серы в H₂SO₄ равна +6. Проверка: 2 + 6 − 8 = 0, значит сумма действительно соответствует заряду нейтрального вещества.

Задача 3. Найдите степень окисления марганца в MnO₄⁻ и сравните её со степенью окисления марганца в KMnO₄. Кислород в этих соединениях имеет обычную степень окисления −2. Сначала учитываем заряд иона, а затем — нейтральность соли.

1. В MnO₄⁻ обозначим степень окисления Mn через x. Сумма должна равняться заряду −1: x + 4·(−2) = −1.
2. Получаем x − 8 = −1, поэтому x = +7.
3. В KMnO₄ калий имеет +1, четыре атома кислорода вместе дают −8. Для нейтральной соли: (+1) + x + (−8) = 0, откуда x = +7.

Ответ: марганец имеет степень окисления +7 и в MnO₄⁻, и в KMnO₄. Заряд иона не равен нулю, поэтому в первом уравнении сумма равна −1; в соли сумма всех степеней окисления равна нулю.

Типичные ошибки

Ошибка — считать степень окисления реальным зарядом атома в любой связи. Так думают, потому что в записи есть знак и число, похожие на заряд; однако в ковалентной связи электроны часто остаются общими. Проверяйте себя: если атом входит в молекулу, не называйте условное значение реальным зарядом без дополнительных оснований.

Ошибка — приравнивать степень окисления атома в сложном веществе к заряду соответствующего иона. Это правило работает непосредственно только для одноатомного иона, например Fe³⁺. В молекуле или многоатомном ионе сначала учитывают все атомы и общую сумму; если ответ получен лишь по предполагаемому заряду «части» формулы, перепроверьте расчёт.

Ошибка — забывать, что сумма степеней окисления зависит от заряда всей частицы. В нейтральном веществе она равна нулю, а в многоатомном ионе — заряду иона. Чтобы не ошибиться, выпишите справа от уравнения нужную сумму и проверьте результат сложением вкладов всех атомов.

Ошибка — всегда ставить кислороду −2, а водороду +1. Эти значения обычные, но пероксиды содержат кислород со степенью окисления −1, в OF₂ кислород имеет +2, а в гидридах металлов водород равен −1. Перед вычислением выясните класс вещества и сравните электроотрицательности элементов; затем проверьте, согласуется ли ответ с суммарным зарядом.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужно уметь читать химические формулы, учитывать число атомов каждого элемента и знать заряды одноатомных ионов. Также понадобится понятие электроотрицательности: оно объясняет, к какому атому условно смещают общие электронные пары. Без этих основ легко перепутать заряд частицы со степенью окисления отдельного атома.

Степени окисления применяют при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций. Сравнивая значения до и после реакции, определяют, какие атомы изменили степень окисления, а значит, кто отдал или принял электроны в условной модели. Это помогает установить, какое вещество выступает окислителем, а какое — восстановителем.

Что запомнить

• Степень окисления — условная характеристика атома в веществе.
• В простом веществе степень окисления каждого элемента равна нулю.
• Степень окисления одноатомного иона равна его заряду.
• Сумма степеней окисления в нейтральном веществе равна нулю.
• В многоатомном ионе сумма степеней окисления равна заряду иона.
• Кислород обычно имеет степень окисления −2, водород обычно +1; для обоих есть исключения.