2.6. Периодическая зависимость степеней окисления атомов элементов

Атомам элементов присущи характерные для них степени окисления, которые связаны с положением элемента в периодической системе.

Высшая степень окисления атомов элементов главных подгрупп (А-групп) в каждом периоде обычно возрастают от +1 до +7.

Атомы элементов металлов I-III групп периодической системы образуют положительные ионы, заряд которых равен номеру их группы; таким образом, степень окисления атомов этих элементов непереходных металлов совпадает с номером их группы.

У атомов элементов неметаллов часто обнаруживаются по две характерные степени окисления. Их низшая степень окисления обычно равна: 8 минус номер группы элемента: таким образом, каждый атом может соединяться с (8 – номер группы) атомами водорода. Например, атом серы (VI группа) соединяется с двумя атомами водорода с образованием сероводорода H₂S, и поэтому имеет степень окисления –2. Высшая степень окисления атомов неметаллов обычно равна номеру группы, особенно в соединениях с кислородом. Например, степень окисления атомов серы в оксиде SO₃ и серной кислоте H₂SO₄ равна +6. Атомы большинства неметаллов, кроме этого, обладает и промежуточными степенями окисления. Например, атомы серы в различных соединениях имеют следующие степени окисления: 0 [самородная (молекулярная) сера S₈], +4 (SO₂, H₂SO₃).

У атомов переходных металлов (группы Б) степени окисления подчиняются определённым закономерностям. При окислении переходных металлов их атомы могут отдавать из валентной электронной оболочки не более двух s-электронов и все неспаренные d-электроны. Поэтому высшая степень окисления для атомов скандия Sc равна +3, и она увеличивается на единицу в каждой следующей группе, достигая максимального значения +7 у атомов марганца Mn. После этого степень окисления атомов вновь уменьшается на единицу у каждого следующего элемента металла (Fe, Co, Ni, Cu) достигая значения +2 у атома цинка. Единственное исключение из этой закономерности отсутствие степени окисления +5 у атомов Со.

Члены ряда d- переходных металлов проявляют высшие степени окисления атомов соответствующие в основном номерам групп элементов (например для элементов 4d-ряда: Ag⁺, Cd²⁺, Y³⁺, Zr⁴⁺, Nb⁺⁵, Mo⁺⁶, Tc⁺⁷, Ru⁺⁸).

У атомов d- переходных металлов проявляются, кроме высших, и другие степени окисления, среди которых чаще всего встречаются степени окисления +2 и +3.

Атомы металлов первого переходного d- ряда, от Sc до Zn, обнаруживают различные (от -2 до +7) степени окисления (рис. 14). Атомы металлов второго и особенно третьего переходных d- рядов, проявляют только высшие степени окисления.

Оксиды переходных элементов в своей низшей степени окисления проявляют выраженные основные свойства, а в высшей степени окисления проявляют - кислотные. Например, среди оксидов хрома: CrO – оснóвный, Cr₂O₃ – амфотерный, а CrO₃ – кислотный.

Лантаниды и актиниды образуют ряды переходных металлов иного типа, в которых их соединения обладают сходными свойствами. Атомы лантанидов и актинидов обычно проявляют степень окисления +3. Другие степени окисления, характерны лишь для отдельных элементов (например, Eu²⁺, Ce⁴⁺ и U⁶⁺).

Рис. 14. Степени окисления, характерные для атомов 3d-элементов. (Наиболее часто встречающиеся степени окисления обозначены светлее)

Внутри групп Б, в противоположность группам А, возрастает стабильность соединений, в которых атомы находятся в высших степенях окисления. А это в свою очередь обусловливает то, что многие соединения элементов групп Б (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) в водных растворах окрашены. Например: V₂О₅ – оранжевый, CrО₃ – красный, Mn₂О₇ – зелёный, Fe₂О₃ – красно-коричневый, CoО – зеленовато-коричневый, NiО – тёмно-зелёный, Cu₂О – красный).

Химические свойства элементов групп Б как внутри периода, так и внутри группы меняются в значительно меньшей степени, чем элементов групп А.

Периодичность изменения основных характеристик атомов и простых веществ^* элементов главных подгрупп (групп А) представлена в табл. 8.

Таблица 8

Периодичность изменения химических и физических характеристик атомов и простых веществ элементов главных подгрупп

Характеристика	Изменение
	в главных подгруппах	в периодах
Заряд ядра атомов	Увеличивается ↓	Увеличивается →
Восстановительные свойства атомов	Увеличиваются ↓	Уменьшаются →
Окислительные свойства атомов	Уменьшаются ↓	Увеличиваются →
Высшая валентность атомов по отношению к кислороду	Постоянна	Увеличивается I → VII
Валентность атомов по отношению к водороду	Постоянна	Увеличивается I → IV← I
Плотность простых веществ	В основном увеличивается ↓	Увеличивается I ← IV → VII
Температура плавления и кипения металлов	В основном уменьшается ↓
Температура плавления и кипения неметаллов	В основном увеличивается ↓