4.2. Степень окисления

В отличие от понятия валентности степень окисления не столь тесно связана с электронным строением атома, являясь во многом умозрительной величиной, что непосредственно следует из ее определения.

Степень окисления - условный (формальный) заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что все атомы в молекуле являются ионами, а сама молекула электронейтральна.

Атомы более электроотрицательных элементов имеют отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательных - положительную.

Следовательно, при определении степени окисления следует исходить, в первую очередь, не из электронного строения атома, а из ряда формальных принципов, в соответствии с которыми все атомы можно разделить на три группы: атомы с постоянной степенью окисления; атомы, имеющие преобладающую степень окисления; атомы с переменной степенью окисления.

К первой группе относятся атомы щелочных металлов (+1), щелочноземельных (+2), алюминия (+3) и фтора (1). Ко второй можно отнести атомы водорода (почти всегда +1, но в соединениях со щелочными и щелочноземельными металлами 1); кислорода (как правило, 2, но в соединении со фтором +1 и +2, а в пероксидах 1). Сюда же можно отнести и атомы железа, имеющие две наиболее распространенные степени окисления (+2 и +3). Степень окисления остальных атомов зависит от их химического окружения.

При определении степени окисления атомов в молекуле рекомендуется следующий порядок действий:

1. Установить степень окисления атомов, у которых она неизменна.

2. Сделать заключение о степени окисления атомов, имеющих преобладающую степень окисления.

3. Степень окисления оставшихся атомов определить математически, исходя из электронейтральности молекулы (если определяют степень окисления элемента в сложном ионе, то сумма степеней окисления всех элементов равна заряду этого иона).

Необходимо помнить также и следующее:

а) степень окисления атомов в молекулах простых веществ (H₂, C, O₃) равна нулю;

б) металлы во всех соединениях имеют только положительные степени окисления;

в) степень окисления атома неметалла в соли всегда равна его степени окисления в соответствующей кислоте.

При таком образе действий степень окисления может оказаться дробной величиной, что никак не противоречит ее определению. Например, в соединении железа Fe₃O₄ степень окисления железа равна +8/3.

Максимальная (высшая) степень окисления элемента (С.О._max), как правило, равна номеру группы, в которой находится элемент в периодической системе (исключения: кислород, фтор, элементы подгруппы меди).

Низшая (минимальная) степень окисления металлов равна нулю.

Низшая степень окисления неметаллов (С.О._min) обычно равна:

С.О._min = C.О._max  8

Например, для серы: 6  8 = 2.

Разные атомы одного и того же элемента, входящие в состав одной молекулы, могут иметь разные степени окисления. Такая ситуация наиболее распространена в органической химии.

Обучающие задачи

1. Определить валентность элементов второго периода в их соединениях с водородом.

Решение. Запишем конфигурации внешнего слоя атомов элементов:

Li ...2s¹; Be ...2s²; B ...2s²2p¹; C ...2s²2p²; N ...2s²2p³; O ...2s²2p⁴; F ...2s²2p⁵

Состав гидрида лития - LiH, значит валентность лития - I, а валентное состояние его атома - основное состояние с валентной конфигурацией 2s¹.

Гидриды бериллия, бора и углерода имеют состав BeH₂, BH₃, CH₄, следовательно, валентность соответствующих атомов: Ве - II, B - III, C - IV. Таким образом, валентным для каждого из них является возбужденное состояние, в котором один из s-электронов переходит на вакантную р-орбиталь.

Валентным состоянием атомов N (валентность III), O (II), F(I) в соответствующих молекулах NH₃, H₂O и HF является их основное состояние.

2. Определить степени окисления атомов в перечисленных веществах:

а) Н₂O, б) NH₃, в) H₂O₂, г) H₂SO₄, д) Ca(HCO₃)₂, е) ж) Fe₃O₄.

Решение:

a) Так как атом водорода отрицателен только в соединениях с металлами I и II групп, в воде его степень окисления равна +1. Так как вода не является пероксидом, степень окисления кислорода равна 2.

б) Атом водорода положителен (+1) (см. пункт “а”), следовательно атом азота должен иметь отрицательную степень окисления (3).

в) Так как данное соединение является пероксидом, степень окисления кислорода равна 1, водорода, соответственно, +1.

г) Степень окисления водорода +1, кислорода 2, следовательно, степень окисления серы (х) определяется по формуле:

(+1) ^. 2 + х + (2) ^. 4 = 0, х = +6

д) Аналогично варианту “г” степень окисления углерода равна:

2 + 2 [(+1) + х + (2) ^. 3] = 0, х = +4

e) Степень окисления кислорода равна 2, сумма всех степеней окисления атомов с учетом их количества равна заряду сложного иона (2), отсюда находим степень окисления бора (х):

4 x + (2) ^. 7 = 2, x = +3