Самая высокая степень окисления. Степень окисления
Умение находить степень окисления химических элементов является необходимым условием для успешного решения химический уравнений, описывающих окислительно-восстановительные реакции. Без него вы не сможете составить точную формулу вещества, получившегося в результате реакции между различными химическими элементами. В результате решение химических задач, построенных на подобных уравнениях, будет либо невозможным, либо ошибочным.
Понятие степени окисления химического элементаСтепень окисления – это условная величина, с помощью которой принято описывать окислительно-восстановительные реакции. Численно она равна количеству электронов, которое отдает атом приобретающий положительный заряд, или количеству электронов, которое присоединяет к себе атом, приобретающий отрицательный заряд.
В окислительно-восcтановительных реакциях понятие степень окисления используется для определения химических формул соединений элементов, получающихся в результате взаимодействия нескольких веществ.
На первый взгляд может показаться, что степень окисления эквивалентна понятию валентности химического элемента, но это не так. Понятие валентность используется для количественного выражения электронного взаимодействия в ковалентных соединениях, то есть в соединениях, образованных за счет образования общих электронных пар. Степень окисления используется для описания реакций, которые сопровождаются отдачей или присоединением электронов.
В отличии от валентности, являющейся нейтральной характеристикой, степень окисления может иметь положительное, отрицательное, или нулевое значение. Положительное значение соответствует числу отданных электронов, а отрицательная числу присоединенных. Нулевое значение означает, что элемент находится либо в форме простого вещества, либо он был восстановлен до 0 после окисления, либо окислен до нуля после предшествующего восстановления.
Как определить степень окисления конкретного химического элемента
Определение степени окисления для конкретного химического элемента подчиняется следующим правилам:
- Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
- Щелочные металлы, которые находятся в первой группе периодической таблицы, имеют степень окисления +1.
- Щелочноземельные металлы, занимающие в периодической таблице вторую группу, имеют степень окисления +2.
- Водород в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, а в соединениях с металлами +1.
- Степень окисления молекулярного кислорода во всех соединениях, рассматриваемых в школьном курсе неорганической химии, равна -2. Фтора -1.
- При определении степени окисления в продуктах химических реакций исходят из правила электронейтральности, в соответствии с которым сумма степеней окисления различных элементов, входящих в состав вещества, должна быть равна нулю.
- Алюминий во всех соединениях проявляет степень окисления равную +3.
Различают высшую, низшую и промежуточную степени окисления. Высшая степень окисления, как и валентность, соответствует номеру группы химического элемента в периодической таблице, но имеет при этом положительное значение. Низшая степень окисления численно равна разности между числом 8 группой элемента. Промежуточной степенью окисления будет любой число в диапазоне от низшей степени окисления до высшей.
Чтобы помочь вам сориентироваться в многообразии степеней окисления химических элементов предлагаем вашему вниманию следующую вспомогательную таблицу. Выберите в ней интересующий вас элемент и вы получите значения его возможных степеней окисления. В скобках будут указаны редко встречающиеся значения.
В химии термины «окисление» и «восстановление» означает реакции, при которых атом или группа атомов теряют или, соответственно, приобретают электроны. Степень окисления - это приписываемая одному либо нескольким атомам численная величина, характеризующая количество перераспределяемых электронов и показывающая, каким образом эти электроны распределяются между атомами при реакции. Определение этой величины может быть как простой, так и довольно сложной процедурой, в зависимости от атомов и состоящих из них молекул. Более того, атомы некоторых элементов могут обладать несколькими степенями окисления. К счастью, для определения степени окисления существуют несложные однозначные правила, для уверенного пользования которыми достаточно знания основ химии и алгебры.
Шаги
Часть 1
Определение степени окисления по законам химии- Например, Al (s) и Cl 2 имеют степень окисления 0, поскольку оба находятся в химически несвязанном элементарном состоянии.
- Обратите внимание, что аллотропная форма серы S 8 , или октасера, несмотря на свое нетипичное строение, также характеризуется нулевой степенью окисления.
-
Определите, состоит ли рассматриваемое вещество из ионов. Степень окисления ионов равняется их заряду. Это справедливо как для свободных ионов, так и для тех, которые входят в состав химических соединений.
- Например, степень окисления иона Cl - равняется -1.
- Степень окисления иона Cl в составе химического соединения NaCl также равна -1. Поскольку ион Na, по определению, имеет заряд +1, мы заключаем, что заряд иона Cl -1, и таким образом степень его окисления равна -1.
-
Учтите, что ионы металлов могут иметь несколько степеней окисления. Атомы многих металлических элементов могут ионизироваться на разные величины. Например, заряд ионов такого металла как железо (Fe) равняется +2, либо +3. Заряд ионов металла (и их степень окисления) можно определить по зарядам ионов других элементов, с которыми данный металл входит в состав химического соединения; в тексте этот заряд обозначается римскими цифрами: так, железо (III) имеет степень окисления +3.
- В качестве примера рассмотрим соединение, содержащее ион алюминия. Общий заряд соединения AlCl 3 равен нулю. Поскольку нам известно, что ионы Cl - имеют заряд -1, и в соединении содержится 3 таких иона, для общей нейтральности рассматриваемого вещества ион Al должен иметь заряд +3. Таким образом, в данном случае степень окисления алюминия равна +3.
-
Степень окисления кислорода равна -2 (за некоторыми исключениями). Почти во всех случаях атомы кислорода имеют степень окисления -2. Есть несколько исключений из этого правила:
- Если кислород находится в элементарном состоянии (O 2), его степень окисления равна 0, как и в случае других элементарных веществ.
- Если кислород входит в состав перекиси , его степень окисления равна -1. Перекиси - это группа соединений, содержащих простую кислород-кислородную связь (то есть анион перекиси O 2 -2). К примеру, в составе молекулы H 2 O 2 (перекись водорода) кислород имеет заряд и степень окисления -1.
- В соединении с фтором кислород обладает степенью окисления +2, читайте правило для фтора ниже.
-
Водород характеризуется степенью окисления +1, за некоторыми исключениями. Как и для кислорода, здесь также существуют исключения. Как правило, степень окисления водорода равна +1 (если он не находится в элементарном состоянии H 2). Однако в соединениях, называемых гидридами, степень окисления водорода составляет -1.
- Например, в H 2 O степень окисления водорода равна +1, поскольку атом кислорода имеет заряд -2, и для общей нейтральности необходимы два заряда +1. Тем не менее, в составе гидрида натрия степень окисления водорода уже -1, так как ион Na несет заряд +1, и для общей электронейтральности заряд атома водорода (а тем самым и его степень окисления) должен равняться -1.
-
Фтор всегда имеет степень окисления -1. Как уже было отмечено, степень окисления некоторых элементов (ионы металлов, атомы кислорода в перекисях и так далее) может меняться в зависимости от ряда факторов. Степень окисления фтора, однако, неизменно составляет -1. Это объясняется тем, что данный элемент имеет наибольшую электроотрицательность - иначе говоря, атомы фтора наименее охотно расстаются с собственными электронами и наиболее активно притягивают чужие электроны. Таким образом, их заряд остается неизменным.
-
Сумма степеней окисления в соединении равна его заряду. Степени окисления всех атомов, входящих в химическое соединение, в сумме должны давать заряд этого соединения. Например, если соединение нейтрально, сумма степеней окисления всех его атомов должна равняться нулю; если соединение является многоатомным ионом с зарядом -1, сумма степеней окисления равна -1, и так далее.
- Это хороший метод проверки - если сумма степеней окисления не равна общему заряду соединения, значит вы где-то ошиблись.
Часть 2
Определение степени окисления без использования законов химии-
Найдите атомы, не имеющие строгих правил относительно степени окисления. По отношению к некоторым элементам нет твердо установленных правил нахождения степени окисления. Если атом не подпадает ни под одно правило из перечисленных выше, и вы не знаете его заряда (например, атом входит в состав комплекса, и его заряд не указан), вы можете установить степень окисления такого атома методом исключения. Вначале определите заряд всех остальных атомов соединения, а затем из известного общего заряда соединения вычислите степень окисления данного атома.
- Например, в соединении Na 2 SO 4 неизвестен заряд атома серы (S) - мы лишь знаем, что он не нулевой, поскольку сера находится не в элементарном состоянии. Это соединение служит хорошим примером для иллюстрации алгебраического метода определения степени окисления.
-
Найдите степени окисления остальных элементов, входящих в соединение. С помощью описанных выше правил определите степени окисления остальных атомов соединения. Не забывайте об исключениях из правил в случае атомов O, H и так далее.
- Для Na 2 SO 4 , пользуясь нашими правилами, мы находим, что заряд (а значит и степень окисления) иона Na равен +1, а для каждого из атомов кислорода он составляет -2.
-
Найдите неизвестную степень окисления из заряда соединения. Теперь у вас есть все данные для простого расчета искомой степени окисления. Запишите уравнение, в левой части которого будет сумма числа, полученного на предыдущем шаге вычислений, и неизвестной степени окисления, а в правой - общий заряд соединения. Иными словами, (Сумма известных степеней окисления) + (искомая степень окисления) = (заряд соединения).
- В нашем случае Na 2 SO 4 решение выглядит следующим образом:
- (Сумма известных степеней окисления) + (искомая степень окисления) = (заряд соединения)
- -6 + S = 0
- S = 0 + 6
- S = 6. В Na 2 SO 4 сера имеет степень окисления 6 .
- В нашем случае Na 2 SO 4 решение выглядит следующим образом:
- В соединениях сумма всех степеней окисления должна равняться заряду. Например, если соединение представляет собой двухатомный ион, сумма степеней окисления атомов должна быть равна общему ионному заряду.
- Очень полезно уметь пользоваться периодической таблицей Менделеева и знать, где в ней располагаются металлические и неметаллические элементы.
- Степень окисления атомов в элементарном виде всегда равна нулю. Степень окисления единичного иона равна его заряду. Элементы группы 1A таблицы Менделеева, такие как водород, литий, натрий, в элементарном виде имеют степень окисления +1; степень окисления металлов группы 2A, таких как магний и кальций, в элементарном виде равна +2. Кислород и водород, в зависимости от вида химической связи, могут иметь 2 различных значения степени окисления.
Определите, является ли рассматриваемое вещество элементарным. Степень окисления атомов вне химического соединения равна нулю. Это правило справедливо как для веществ, образованных из отдельных свободных атомов, так и для таких, которые состоят из двух, либо многоатомных молекул одного элемента.
Прежде чем изучать степени окисления, вспомним основные правила из курса химии и физики:
- все вещества образуются из молекул, а молекулы - из атомов;
- любой атом электронейтрален, т.е. имеет суммарный заряд, равный нулю;
- нулевой заряд атома обуславливается одинаковым числом положительно и отрицательно заряженных в нем частиц;
- отрицательно заряженные частицы внутри атома - «электроны» - перемещаются вокруг ядра атома (заряд одного электрона равен «–1»);
- суммарный отрицательный заряд всех электронов атома равен их количеству;
- положительные частицы атома носят название «протоны» и расположены внутри его ядра, причем заряд одного протона равен «+1»;
- суммарный положительный заряд ядра равен общему количеству , находящихся в нем;
- точное число протонов и электронов в атоме любого химического элемента можно узнать, посмотрев его номер в периодической системе:
№ элемента = число протонов в атоме = число электронов в атоме.
Рассмотрим все вышеизложенное на примерах кислорода (О), водорода (Н), кальция (Са) и алюминия (Аl).
В периодической системе имеет порядковый номер «8», а значит, в его ядре есть восемь протонов, а вокруг ядра движутся восемь электронов.
Атомарное строение кислородаТаким образом, заряд ядра его атома равен «+8», а суммарный заряд электронов, движущихся вокруг его ядра, составляет «-8». Общий же заряд атома для химического элемента определяется сложением всех положительных и отрицательных зарядов внутри его атома:
Занимает первое место в периодической системе, а следовательно, в его ядре один протон, а вокруг ядра движется один электрон:
Находится на двадцатом месте периодической системы. Значит, в его атоме имеется по двадцать протонов и электронов, суммарные заряды которых - «+20» и «-20» соответственно:
Что касается , то его расположение в периодической системе (порядковый номер - 13) говорит о тринадцати протонах и тринадцати электронах:
Немного о степени окисления
Как известно, в земной коре химические элементы находятся не только в свободном состоянии. Их атомы также вступают в химические взаимодействия с образованием сложных веществ. Это легко проиллюстрировать на примере образования оксидов.
Так, кислород (О) может взаимодействовать с водородом (Н). При этом водород отдает кислороду в полное распоряжение свой единственный электрон. После этого в атоме водорода больше не остается свободных электронов, а, следовательно, положительный заряд ядра атома (равен «+1») нейтрализовать становится нечем, и весь атом водорода приобретает заряд «+1». Таким образом, электронейтральный атом водорода превращается в положительно заряженную частицу - протон:
(+1) + (-1) - (-1)= (+1).
Атом же кислорода, который в свободном состоянии тоже имеет нулевой заряд, может одновременно присоединить к себе два электрона. Это значит, что он вступает в реакцию одновременно с двумя атомами водорода, каждый из которых отдает ему свой единственный электрон.
Таким образом, кислород, имевший до реакции с водородом по восемь протонов и электронов, в ходе этого химического взаимодействия приобретает еще два электрона. А значит, суммарный его заряд становится равен:
(+8)+(-8)+(-2)=(-2).
Данный пример иллюстрирует реакцию, в результате которой атом одного химического элемента отдал свои электроны атому другого химического элемента. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.
Механизм передачи электронов в ходе ОВР
Считается, что атом, отдавший электроны, окислился , а атом, который их присоединил, - восстановился . В данном случае окислился водород, а восстановился кислород. Заряд, который получили в результате реакции оба атома, записывается в правом верхнем углу над символами их химических элементов.
Следует также учитывать, что кислород и водород являются газами, а значит, в их молекулах имеется по два одинаковых атома. Следовательно, полная реакция взаимодействия кислорода с водородом выглядит так:
2Н₂⁰ + О₂⁰ → 2Н₂⁺¹О⁻²
В данном случае речь идет об образовании соединений типа X₂O, в которых для получения молекулы сложного вещества к одному атому кислорода присоединяются два одинаковых атома другого элемента. Степень окисления «+1» характерна для элементов первой группы периодической системы, относящихся к главной подгруппе.
Степень окисления в XO
Во второй группе периодической системы (а именно в главной ее подгруппе) расположены химические элементы, каждый атом которых может отдать кислороду уже по два электрона. Такой атом в ходе окислительно-восстановительной реакции приобретет заряд «+2», а кислород, как всегда, получит заряд «–2». Например, реакция окисления кальция:
2Са⁰ + О₂⁰→2Са⁺²О⁻².
Цинк (Zn), расположенный в побочной подгруппе второй группы, проявляет такую же степень окисления, как у кальция, а именно ХО:
2Zn⁰ + О₂⁰→2Zn⁺²О⁻²
Степень окисления в X₂O₃
Особенностью элементов главной подгруппы третьей группы периодической системы является то, что каждый их атом с легкостью может отдать атому кислорода уже три электрона. Однако один атом кислорода может принять только два электрона.
Следовательно, вот как будет выглядеть соотношение атомов в молекуле оксидов для элементов третьей группы на примере оксида алюминия:
- если один атом алюминия может отдать три электрона, то два атома алюминия отдадут уже шесть электронов (каждый по три);
- один атом кислорода может принять только два электрона, но, поскольку два атома алюминия отдают шесть электронов, то принять их полностью смогут уже три атома кислорода;
- следует помнить, что молекула кислорода двухатомна, а значит, каждый из атомов кислорода примет по два электрона от атомов алюминия:
4Al⁰ + 3O₂⁰ → 2Al₂⁺³O₃⁻²
Таким образом, в данной химической реакции примут участие четыре атома алюминия, которые отдадут двенадцать электронов шести атомам (или трем молекулам) кислорода. В результате реакции каждому атому алюминия будет не хватать до нулевого заряда по три электрона, а значит, положительный заряд ядра станет преобладать над отрицательным зарядом электронов:
13 (заряд ядра атома Al не изменился) -10 (оставшихся после реакции электронов)= (+3).
Степень окисления в XO₂
Данную степень окисления проявляют химические элементы, расположенные в главной подгруппе четвертой группы периодической системы. Каждый их атом может отдать одновременно четыре электрона, а поскольку молекула кислорода двухатомна, то каждый из атомов кислорода примет как раз по два электрона.
Рассмотрим подобную окислительно-восстановительную реакцию на примере взаимодействия кислорода с углеродом:
С⁰ + О₂⁰ → С⁺⁴О₂⁻²
Эта реакция иллюстрирует горение твердого вещества (угля) в присутствии газа (кислорода). Поэтому молекула кислорода двухатомна, а молекула углерода - одноатомна. Нажмите , чтобы узнать, как протекает окисление различных металлов.
Степени окисления в X₂O₅ и XO₃
Для некоторых элементов главной подгруппы пятой группы характерно проявление степени окисления (+5), то есть они могут отдать атому кислорода сразу пять электронов. Например, реакция горения фосфора в присутствии кислорода:
4Р⁰ + 5О₂⁰ → 2Р₂⁺⁵О₅⁻².
Некоторые элементы шестой группы могут отдавать сразу шесть электронов, после чего их степень окисления станет равной (+6). Например, реакция взаимодействия серы с кислородом:
2S⁰ + 3O₂⁰ → 2S⁺⁶O₃⁻²
Для характеристики окислительно-восстановительной способности частиц важное значение имеет такое понятие, как степень окисления. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – это заряд, который мог бы возникнуть у атома в молекуле или ионе, если бы все его связи с другими атомами оказались разорваны, а общие электронные пары ушли с более электроотрицательными элементами.
В отличие от
реально существующих зарядов у ионов,
степень окисления показывает лишь
условный заряд атома в молекуле. Она
может быть отрицательной, положительной
и нулевой. Например, степень окисления
атомов в простых веществах равна «0»
(,
,
,
).
В химических соединениях атомы могут
иметь постоянную степень окисления или
переменную. У металлов главных подгруппI,
II
и III
групп Периодической системы в химических
соединениях степень окисления, как
правило, постоянна и равна соответственно
Ме +1 ,
Ме +2
и Ме +3
(Li + ,
Ca +2 ,
Al +3).
У атома фтора всегда -1. У хлора в
соединениях с металлами всегда -1. В
подавляющем числе соединений кислород
имеет степень окисления -2 (кроме
пероксидов, где его степень окисления
-1), а водород +1(кроме гидридов металлов,
где его степень окисления -1).
Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю, а в ионе – заряду иона. Эта взаимосвязь позволяет рассчитывать степени окисления атомов в сложных соединениях.
В молекуле серной
кислоты H 2 SO 4
атом водорода имеет степень окисления
+1, а атом кислорода -2. Так как атомов
водорода два, а атомов кислорода четыре,
то мы имеем два «+» и восемь «-». До
нейтральности не хватает шесть «+».
Именно это число и является степенью
окисления серы -
.
Молекула дихромата калияK 2 Cr 2 O 7
состоит из двух атомов калия, двух атомов
хрома и семи атомов кислорода. У калия
степень окисления всегда +1, у кислорода
-2. Значит, мы имеем два «+» и четырнадцать
«-». Оставшиеся двенадцать «+» приходятся
на два атома хрома, у каждого из которых
степень окисления равна +6 (
).
Типичные окислители и восстановители
Из определения процессов восстановления и окисления следует, что, в принципе, в роли окислителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в низшей степени окисления и поэтому могут понижать свою степень окисления. Аналогично в роли восстановителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в высшей степени окисления и поэтому могут повышать свою степень окисления.
К наиболее сильным окислителям относятся:
1) простые вещества, образуемые атомами, имеющими большую электроотрицательность, т.е. типичные неметаллы, расположенные в главных подгруппах шестой и седьмой групп периодической системы: F, O, Cl, S (соответственно F 2 , O 2 , Cl 2 , S);
2) вещества, содержащие элементы в высших и промежуточных
положительных степенях окисления, в том числе в виде ионов, как простых, элементарных (Fe 3+), так и кислородосодержащих, оксоанионов (перманганат-ион - MnO 4 -);
3) перекисные соединения.
Конкретными
веществами, применяемыми на практике
в качестве окислителей, являются кислород
и озон, хлор, бром, перманганаты, дихроматы,
кислородные кислоты хлора и их соли
(например,
,
,
),
азотная кислота (
),
концентрированная серная кислота
(
),
диоксид марганца (
),
пероксид водорода и пероксиды металлов
(
,
).
К наиболее сильным восстановителям относятся:
1)простые вещества, атомы которых имеют низкую электроотрицательность («активные металлы»);
2) катионы металлов в низжих степенях окисления (Fe 2+);
3) простые элементарные анионы, например, сульфид-ион S 2- ;
4) кислородосодержащие
анионы (оксоанионы), соответствующие
низшим положительным степеням окисления
элемента (нитрит
,
сульфит
).
Конкретными
веществами, применяемыми на практике
в качестве восстановителей, являются,
например, щелочные и щелочноземельные
металлы, сульфиды, сульфиты, галогенводороды
(кроме HF),
органические вещества – спирты,
альдегиды, формальдегид, глюкоза,
щавелевая кислота, а также водород,
углерод, моноксид углерода (
)
и алюминий при высоких температурах.
В принципе, если в состав вещества входит элемент в промежуточной степени окисления, то эти вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Все зависит от
«партнера» по реакции: с достаточно сильным окислителем оно может реагировать как восстановитель, а с достаточно сильным восстановителем – как окислитель. Так, например, нитрит-ион NO 2 - в кислой среде выступает в роли окислителя по отношению к иону I - :
2
+
2
+ 4HCl→
+
2
+ 4KCl
+ 2H 2 O
и в роли восстановителя по отношению к перманганат-иону MnO 4 -
5
+
2
+ 3H 2 SO 4
→ 2
+
5
+K 2 SO 4
+ 3H 2 O
Таблица. Степени окисления химических элементов.
Таблица. Степени окисления химических элементов.
Степень окисления
- это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный тип. Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, а в ионе - заряду иона
.
|
Таблица: Элементы с неизменными степенями окисления. |
|
Таблица. Степени окисления химических элементов по алфавиту.
|
Таблица. Степени окисления химических элементов по номеру.
|
Оценка статьи:
Внедрение и использование УМК «Изучаем русский язык» в двуязычной образовательной среде
Система образования в индии как фундамент знаний и жизни
Роман Вишневский – трейдер и владелец брокерской компании
Николай Кольцов – биолог из будущего