Степень окисления

Валентность численно характеризует способность атомов данного элемента образовывать ковалентные связи и поэтому может применяться только к соединениям с таким типом связи. Более универсальной характеристикой состояния атома, независимой от вида образуемых им связей, является степень окисления.

Степень окисления – это условный заряд атома в химическом соединении, если предположить, что при образовании химических связей общая электронная пара полностью переходит к более электроотрицательному атому.

На самом деле, как известно, такого полного смещения не происходит даже в соединениях с ионным типом связи.

Атомы в химических соединениях могут иметь нулевую, положительную и отрицательную степень окисления.

Нулевая степень окисления возникает в том случае, когда химическая связь образуется между одинаковыми атомами. В этом случае общая электронная пара никуда не смещается, так как атомы имеют одинаковую электроотрицательность.

Реализуется нулевая степень окисления у атомов, главным образом, в молекулах простых веществ (H₂⁰, Cl₂⁰, N₂⁰, S₈⁰, Р₄⁰). При этом валентность атомов в простых веществах неметаллов не равна нулю, так как ковалентные связи образуются, но они являются неполярными и связывающие электронные пары в равной мере принадлежат обоим атомам. Например, в молекуле Н₂, валентность атомов водорода равна 1, а в молекуле N₂ валентность атомов азота равна 3.

Положительную степень окисления атомы проявляют при образовании химических связей с атомами более электроотрицательных элементов, чем сами. В этом случае они выступают в роли восстановителя и отдают другим атомам со своего внешнего слоя электроны, выделенные на образование связей. Численное значение степени окисления при этом будет равно количеству отданных электронов (следует учитывать как основное, так и возбужденное состояние).

Отрицательную степень окисления атомы проявляют при образовании химических связей с атомами менее электроотрицательных элементов, чем сами. В этом случае они выступают в роли окислителя и забирают от других атомов электроны, недостающие до завершения своего внешнего слоя (ns²np⁶).

Например, атомы хлора в соответствии со строением своего внешнего слоя (см. тему «Валентность») могут проявлять положительную степень окисления «+1» в основном состоянии, а также «+3», «+5», или «+7» в возбужденном состоянии. Но отрицательная степень окисления у них всегда будет равна «-1».

Атомы фосфора в основном состоянии будут проявлять положительную степень окисления «+3», в возбужденном состоянии – «+5»:

₁₅Р 1s²2s²2p⁶3s²3р³

Отрицательная степень окисления фосфора будет равна «-3», независимо от того, в каком состоянии (основном или возбужденном), он образует химические связи с атомами менее электроотрицательных элементов.

Для большинства неметаллов (кроме F, O) и металлов (кроме элементов I B и VIII B групп) высшая положительная степень окисления равна номеру группы, в которой эти элементы находятся в таблице Д.И. Менделеева.

Для неметаллов низшая отрицательная степень окисления равна разности: №_группы - 8.

Металлы во всех сложных соединениях с неметаллами имеют только положительную степень окисления.

Неметаллы в сложных соединениях в зависимости от атомов – партнеров, с которыми образуют связи, могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления.

Некоторые элементы в сложных соединениях всегда проявляют постоянную степень окисления. Например:

1. Металлы I А группы (щелочные) – «+1»;

2. Металлы II A группы и II B группы (кроме Hg) – «+2»;

3. Алюминий – «+3»;

4. Фтор – «-1» (как самый электроотрицательный).

Кислород является вторым по электроотрицательности элементом (после фтора) и поэтому практически во всех своих соединениях проявляет степень окисления «-2», кроме соединений со фтором (F₂O⁺², F₂O₂⁺¹) и пероксидного типа (Н₂О₂^-1, Na₂О₂^-1 и т.д.).

Водород в соединениях с большинством неметаллов проявляет положительную степень окисления «+1», а в гидридах (соединениях с активными металлами: NaН, СаН₂) – «-1».

Для большинства других элементов характерно проявление переменных степеней окисления в зависимости от их состояния и от состояния атомов – партнеров, с которыми они связаны.

Причем алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекулах (или формульных единицах) сложных веществ равна 0, а в сложном ионе (H₂PO₄^-, PO₄^3-, CuOH⁺, NH₄⁺, NO₃^-) – заряду этого иона.

Если атом в молекуле сложного вещества одновременно образует связи с различными типами других атомов (подобными себе, более электроотрицательными и менее электроотрицательными), то его степень окисления определяется, как алгебраическая сумма степеней окисления по всем образуемым им связям. Например, в молекуле уксусного альдегида атомы углерода имеют суммарные степени окисления «-3» и «+1» (если рассматривать их слева направо)

–1

уксусный альдегид фторэтан

В молекуле фторэтана суммарные степени окисления атомов углерода, аналогично, равны «-1», и «-3».

В соединениях с ковалентной связью, образованной по обменному механизму, численное значение валентности и степени окисления у атомов совпадают, если они образуют связи только с одним типом атомов – партнеров (только с более электроотрицательными атомами или только с менее электроотрицательными).

Например, в молекуле СН₄ валентность атома С равна 4, а степень окисления «-4»; в молекуле ССl₄ валентность атома С равна 4, а степень окисления «+4».

В противном случае (как это было показано ранее на примере молекул уксусного альдегида и фторэтана) численные значения валентности и степени окисления атомов не совпадают.

Несовпадение значений валентности и степени окисления у атомов происходит и в том случае, когда наряду с обменным реализуется и донорно – акцепторный механизм образования ковалентной связи. Например, в молекуле С ≡ О валентность атомов углерода и кислорода равна 3, а степень окисления, соответственно, − «+2», и «-2; в ионе NН₄⁺ валентность азота равна 4, а степень окисления – «-3».