4. Степень окисления атомов

Определения и обозначения

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при предположении полного перехода электронов к более электроотрицательному атому. Это не обязательно настоящий заряд частицы, а удобный способ описать распределение электронов. Степень окисления записывают перед числом со знаком: +2, −1 или 0.

Положительная степень окисления показывает условную отдачу атомом электронов. Чем больше положительное значение, тем больше электронов формально приписывают более электроотрицательному партнёру. Такое обозначение помогает определить состав соединения и уравнять электронные изменения.

Отрицательная степень окисления показывает условное принятие атомом электронов. Она появляется у атома, к которому приписывают общие электроны связи. Знак минус нужно писать перед числом, например −2, а не после него.

Нулевая степень окисления характерна для атомов в простых веществах: O₂, Fe, S₈. В таких веществах атомы одного элемента не получают преимущество по электроотрицательности. Поэтому условного перехода электронов между разными элементами нет.

Как это устроено

Степень окисления называют условным зарядом, потому что в реальной молекуле электронная плотность обычно распределена не полностью между атомами. Даже в ковалентной связи электроны движутся в общем пространстве и не превращают каждый атом в настоящий ион. Для расчёта условно считают, что электронная пара целиком перешла к более электроотрицательному атому.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны. Если один атом электроотрицательнее другого, ему условно приписывают связывающие электроны, поэтому его степень окисления становится более отрицательной. У менее электроотрицательного атома возникает положительная степень окисления.

Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю, потому что всё вещество в целом не имеет заряда. Каждый индекс показывает число атомов, поэтому степень каждого элемента умножают на его индекс и складывают результаты. В сложном ионе сумма не равна нулю: она должна совпасть с зарядом всей частицы, например с −1 или +2.

Постоянные значения позволяют находить неизвестную степень окисления алгебраически. Обычно водород принимают за +1, кислород — за −2, фтор — за −1, щелочные металлы — за +1, а щёлочноземельные — за +2. Известные значения подставляют в уравнение суммы, а неизвестное обозначают буквой x.

Степень окисления и валентность описывают разные свойства атома. Валентность показывает число связей атома и не бывает со знаком, а степень окисления может быть положительной, отрицательной или нулевой. Например, в молекуле CH₄ углерод имеет степень окисления −4, но валентность IV, поэтому эти понятия нельзя заменять друг другом.

Основные правила определения степени окисления

Сначала определите, к какой ситуации относится каждый элемент, и запишите его известное значение. Затем учтите индексы и составьте сумму степеней окисления. Для кислорода и водорода проверьте, нет ли особого случая, прежде чем применять обычное правило.

Разбор задач

Задача 1. Определите степени окисления элементов в NaCl.

Хлор в соединениях обычно имеет степень окисления −1, а натрий относится к щелочным металлам. Соединение NaCl нейтрально, поэтому сумма значений должна быть равна нулю. Проверим, согласуются ли постоянные значения между собой.

1. Записываем для натрия: Na = +1.
2. Записываем для хлора: Cl = −1.
3. Складываем значения: (+1) + (−1) = 0.

Ответ: Na⁺¹Cl⁻¹, степени окисления натрия и хлора равны соответственно +1 и −1.

Задача 2. Определите степень окисления серы в H₂SO₄.

Водород в этой кислоте имеет +1, кислород — −2. Индексы 2 и 4 показывают число атомов водорода и кислорода, а индекс у серы не записан и равен 1. Так как H₂SO₄ нейтрально, сумма должна быть нулевой.

1. Обозначаем степень окисления серы буквой x.
2. Составляем уравнение: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0.
3. Упрощаем: 2 + x − 8 = 0, значит x − 6 = 0.
4. Получаем x = +6.

Ответ: степень окисления серы в H₂SO₄ равна +6.

Задача 3. Определите степень окисления марганца в KMnO₄ и в ионе MnO₄⁻.

Калий имеет +1, кислород обычно −2. В первом случае частица нейтральна, а во втором её заряд равен −1, поэтому правые части уравнений будут разными. Сравнение показывает, как заряд частицы влияет на неизвестную степень окисления.

1. Для KMnO₄: (+1) + x + 4 · (−2) = 0.
2. Получаем x − 7 = 0, поэтому Mn = +7.
3. Для MnO₄⁻: x + 4 · (−2) = −1.
4. Получаем x − 8 = −1, поэтому Mn = +7.

Ответ: в KMnO₄ и в ионе MnO₄⁻ марганец имеет степень окисления +7.

Типичные ошибки

Степень окисления принимают за валентность, потому что обе характеристики относятся к атомам в соединении. Ошибка возникает, если не различать условный заряд и число связей. Проверьте себя: у степени окисления есть знак, а у валентности его нет.

Забывают учитывать индексы элементов при составлении суммы. Например, в H₂O нельзя считать только +1 и −2, ведь атомов водорода два. Перед вычислением перепишите каждый вклад как степень окисления, умноженная на индекс.

Механически считают степень окисления кислорода равной −2. Обычно это верно, но в пероксидах кислород имеет −1, а во фторидах кислорода может иметь положительное значение. Проверьте формулу и наличие фтора или связи O—O.

Путают знак степени окисления с зарядом иона. Условный показатель атома не всегда означает существование отдельного иона с таким зарядом. Записывайте знак перед числом: +3, −2.

Считают, что сумма степеней окисления всегда равна нулю. Это правило относится только к нейтральным веществам, а у сложного иона сумма равна его заряду. Сначала определите, есть ли у всей частицы заряд.

Связь с другими темами

Для работы со степенями окисления нужны знания о строении атома, электроотрицательности, химической формуле и записи зарядов ионов. Эти сведения объясняют, почему электронная пара условно переходит к одному из атомов.

Степени окисления используют при составлении формул веществ и классификации окислительно-восстановительных реакций. По изменению степеней окисления находят окислитель и восстановитель, а затем расставляют коэффициенты методом электронного баланса.

Тема связана с валентностью, ионной и ковалентной связью, а также с периодической системой. Положение элемента помогает предположить типичные значения, но окончательное значение проверяют по формуле и сумме.

Что запомнить

• Степень окисления — условная характеристика атома, а не обязательно его реальный заряд.
• В простых веществах степень окисления каждого элемента равна нулю.
• Сумма степеней окисления в нейтральном веществе равна нулю.
• Сумма степеней окисления атомов в сложном ионе равна заряду иона.
• Кислород обычно имеет степень окисления −2, а водород обычно +1.
• Степень окисления может быть положительной, отрицательной или нулевой.
• Степень окисления нельзя отождествлять с валентностью.