§ 16. Степень окисления

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который приписывают ему, предполагая полное смещение общих электронных пар к более электроотрицательному атому. Это обозначение помогает сравнивать поведение атомов и выполнять расчёты по формулам веществ.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Сравнение электроотрицательностей показывает, к какому атому мысленно относят электроны и какой знак степени окисления ему ставят.

В простом веществе степень окисления каждого атома равна 0. Атомы одного элемента имеют одинаковую электроотрицательность, поэтому электронная пара не смещается к одному из них.

Степень окисления одноатомного иона совпадает с его зарядом: например, у Na⁺ она равна +1, а у S²⁻ — −2. Для атомов в сложных веществах значение находят по правилам, используя формулу и общий заряд частицы.

Как это устроено

Степень окисления называют условной, потому что при её определении связь считают ионной, даже если в действительности она ковалентная. В ковалентной связи атомы используют общую электронную пару, а реальное распределение электронной плотности обычно не означает полного перехода электрона. Мысленная передача пары нужна как единый способ расчёта для разных веществ.

Направление смещения задаёт электроотрицательность. Если один атом сильнее притягивает общие электроны, пару относят к нему; поэтому ему приписывают отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательному партнёру — положительную. Так знак отражает не настоящий заряд, а выбранную модель распределения электронов.

Для нейтрального соединения сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, поскольку общий заряд частицы равен нулю. В сложном ионе эта сумма равна заряду иона: например, для SO₄²⁻ она должна быть −2. При подсчёте каждую степень окисления умножают на число атомов соответствующего элемента.

У ряда элементов есть значения, которые используют в первую очередь. Фтор в соединениях имеет −1, кислород обычно −2, водород обычно +1, но в соединениях водорода с металлами его значение равно −1. Исключения связаны с особым строением вещества: например, в пероксидах кислород имеет −1, поэтому известное правило нельзя применять механически.

Правила определения степени окисления

Сначала определите, к какой ситуации относится вещество, а затем подставьте известные значения в общую сумму. В последней строке таблицы перечислены типичные значения, но при наличии исключения нужно использовать именно его.

Разбор задач

1. Степень окисления серы в S₈

Условие: определить степень окисления серы в простом веществе S₈. Индекс 8 показывает число атомов, но не меняет правило для простого вещества.

1. Формула S₈ содержит атомы только одного химического элемента.
2. Значит, это простое вещество, а атомы серы связаны с атомами такой же серы.
3. Для каждого атома применяем правило простого вещества: степень окисления равна 0.

Ответ: степень окисления серы в S₈ равна 0.

2. Степень окисления серы в H₂S

Условие: найти степень окисления серы в нейтральном соединении H₂S. Известно обычное значение водорода: +1.

1. Обозначим степень окисления серы через x.
2. Составим сумму с учётом двух атомов водорода: 2 · (+1) + x.
3. Так как H₂S нейтрален, приравняем сумму к нулю: 2 + x = 0, откуда x = −2.

Ответ: S имеет степень окисления −2.

3. Степень окисления хрома в Cr₂O₇²⁻

Условие: определить степень окисления хрома в сложном ионе Cr₂O₇²⁻. Кислород здесь принимаем за −2, а общий заряд частицы равен −2.

1. Обозначим степень окисления одного атома хрома через x; атомов хрома два.
2. Составим равенство: 2x + 7 · (−2) = −2.
3. Получаем 2x − 14 = −2, затем 2x = 12 и x = +6.

Ответ: степень окисления каждого атома хрома равна +6.

Типичные ошибки

Реальный заряд вместо условного. Степень окисления не равна настоящему заряду атома в любой молекуле, потому что ковалентные электроны не обязательно переходят полностью. Проверяйте себя: если речь идёт о расчёте по формуле, используйте модель условного смещения.

Путаница с валентностью. Валентность показывает число связей и не имеет знака, а степень окисления может быть положительной, отрицательной или нулевой. Для самопроверки спросите себя, требуется ли определить число связей или условный заряд.

Забытый множитель. Нельзя складывать только значения степеней окисления: каждое из них умножают на число атомов элемента в формуле. Перепишите индексы перед составлением равенства.

Правило без исключений. Кислород обычно равен −2, а водород +1, но в пероксидах и соединениях водорода с металлами значения меняются. Сначала определите тип вещества и только потом подставляйте стандартное значение.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужны знания о составе атома, ионах и химической связи. Особенно важно уметь читать заряд одноатомного иона.

Электроотрицательность объясняет, почему электронная пара смещается к одному из атомов. Сравнение этих величин помогает выбрать знак степени окисления.

Позже степени окисления понадобятся при составлении формул и уравнений окислительно-восстановительных реакций. По их изменению определяют, какой элемент окисляется, а какой восстанавливается.

Что запомнить

• Степень окисления — условная характеристика атома в веществе.
• У атомов простого вещества степень окисления равна нулю.
• Степень окисления одноатомного иона равна его заряду.
• Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю.
• Сумма степеней окисления атомов в сложном ионе равна заряду иона.
• Фтор в соединениях имеет степень окисления −1; у кислорода и водорода есть типичные значения и исключения.