Ступінь окиснення (теорія)

670px-Find-Oxidation-Numbers-Step-5-Version-2

Щоб описати процеси, що відбуваються з атомами під час окисно-відновних реакцій, користуються поняттям ступінь окиснення.

Мета заняття:

  • усвідомити, що таке ступінь окиснення елемента;
  • навчитися визначати ступені окиснення атомів елементів за хімічними формулами сполук.
.
Ступінь окиснення – це умовний цілочислений заряд атомів хімічного елемента в сполуках, який обчислюють з припущення, що всі полярні зв’язки є йонними.

Ступінь окиснення може набувати негативне, позитивне або нульове значення, яке зазвичай ставлять над символом елемента зверху, наприклад:

Якщо речовини утворені за рахунок ковалентних зв’язків, то для визначення ступенів окиснення елементів припускають, що спільні електронні пари повністю зміщені в бік більш електронегативних атомів. При цьому елемент із більшою електронегативністю має негативний ступінь окиснення, а елемент з меншою електронегативністю позитивний ступінь окиснення.

  • Згадайте, що таке електронегативність елементів.

Для того, щоб визначити ступінь окиснення атомів за формулою, ми повинні використовувати певні  правила.

  1. Оскільки речовина є електронейтральною, то сума ступенів окиснення всіх атомів у кожній речовині дорівнює нулю.
  2. Оскільки прості речовини складаються з атомів одного елемента, електронегативність яких однакова, тому ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює 0.
  3. Оскільки електронегативність металічних елементів дуже низька, то металічні елементи у сполуках завжди проявляють тільки позитивний ступінь окиснення. Причому в металічних елементів І – ІІІ-А груп ступінь окиснення постійний і дорівнює кількості електронів на останньому рівні, тобто номеру групи. Наприклад: у Кальцію завжди ступінь окиснення +2, у Літію – +1, у Алюмінію +3.
  4. У атома Гідрогену є тільки один електрон, тому у сполуках він може або віддавати один електрон, або приєднувати один електрон. Оскільки електронегативність Гідрогену менша, ніж у більшості неметалічних елементів, то у сполуках з неметалічними елементами атоми Гідрогену мають ступінь окиснення +1.

Наприклад: у гідроген сульфіді (H2S), гідроген хлориді (HCl), гідроген нітриді (NH3).

  1. Електронегативність металічних елементів менша за електронегативність Гідрогену, тому у сполуках із металічними елементами ступінь окиснення атомів Гідрогену становить -1.

Наприклад: у літій гідриді (LiH), кальцій гідриді (CaH2).

  1. Флуор має найбільшу електронегативність серед усіх елементів, тому в сполуках Флуор завжди ступінь окиснення -1.

Визначимо ступінь окиснення Оксигену у сполуці з Флуором, формула якої OF2.

Оскільки Оксиген менш електронегативний за Флуор, то у нього буде позитивний ступінь окиснення. У Флуору ступінь окиснення -1. Сумарний заряд двох атомів Флуору -2. Сполука буде електронейтральною за умови, якщо сума всіх ступенів окиснення буде дорівнювати 0. Тобто ступінь окиснення Оксигену +2: .

  1. Оксиген знаходиться на другому місці за електронегативністю після Флуору, тому Оксиген у сполуках з іншими елементами проявляє негативний ступінь окиснення, найчастіше -2. Наприклад, в оксидах, основах, кислотах, солях, де атоми Оксигену не зв’язані один з одним.

У сполуках, таких як: гідроген пероксид (H2O2), натрій пероксид (Na2O2), де атоми Оксигену  зв’язані один з одним ковалентними неполярними звязками, вони мають ступінь окиснення -1. Як уже зазначалось у Гідрогену і Натрію ступінь окиснення +1, сумарний позитивний заряд на цих атомах +2, оскільки вся сполука електронейтральна, то сумарний негативний заряд на атомах Оксигену повинен бути -2, а це означає, що ступінь окиснення кожного атому Оксигену -1:

  1. Як ми знаємо атоми можуть переходити у збуджений стан, і тоді всі електрони останнього рівня елементів головних підгруп беруть участь в утворенні зв’язків, у такому випадку максимальний ступінь окиснення елемента збігається з номером групи періодичної системи, в якій розміщено елемент, за винятком Оксигену й Флуору, атоми яких не переходять у збуджений стан.

Наприклад, у атому Хлору у третьому збудженому стані два р-електрони і один s-електрон третього рівня переходять на d-підрівень.

Збуджкний стан Хлору

У такому стані Хлор має ступінь окиснення + 7, наприклад, утворює хлор(VІІ) оксид.

Це правило справедливе і для більшості елементів побічних підгруп, у яких валентними є s-електрони зовнішнього рівня і d-електрони передостаннього рівня.

Наприклад, максимальний ступінь окиснення у вищих оксидах Мангану +7, Хрому +6, Ванадію + 5: , , .

  1. Мінімальний (негативний) ступінь окиснення неметалічних елементів можна обчислити за формулою: 8 – № групи періодичної системи, в якій розміщено елемент. Саме таку кількість електронів може приєднати атом до завершення зовнішнього р-підрівня.

Наприклад, Бром, знаходиться у сьомій групі періодичної системи, вісім мінус сім дорівнює один, таким чином, мінімальний ступінь окиснення Брому -1, Карбон знаходиться у 4 групі періодичної системи, тому його мінімальний ступінь окиснення -4.

Розглянемо як визначити ступені окиснення атомів у бінарних сполуках на прикладі фосфор(III) сульфіду, формула якого Р2S3.

1). Порівняємо електронегативність елементів. Сульфур у періодичній системі знаходиться справа від Фосфору, тому у Сульфуру електронегативність більша за електронегативність Фосфору, отже, Сульфур буде мати негативний ступінь окиснення, а Фосфор – позитивний.

2). Оскільки Сульфур стоїть у шостій групі, то визначаємо значення його ступеня окиснення за формулою 8-6 = 2, тобто ступінь окиснення Сульфуру -2.

3). Визначимо сумарний ступінь окиснення трьох атомів Сульфуру:

3 ∙ 2 = 6.

4). Знаючи, що сума ступенів окиснення всіх атомів дорівнює нулю, робимо висновок: сумарний ступінь окиснення Фосфору дорівнює +6.

5). Враховуючи, що на три атоми Сульфуру припадає два атоми Фосфору визначаємо значення електронегативності Фосфору: 6:2=3. Отже, ступінь окиснення Фосфору дорівнює +3.

Відповідь: Р2+3О3–2 .

Розглянемо, як визначити ступінь окиснення атомів у сполуках, що складаються з трьох елементів. Наприклад, у сульфітній кислоті, формула якої H2SO3.

Найбільш електронегативним елементом є Оксиген, тому ступінь окиснення його негативний і дорівнює -2.

На трьох атомах Оксигену зосереджений сумарний заряд -6.

Натрій металічний елемент, у атомі якого на останньому рівні є 1 електрон, тому його ступінь окиснення в сполуках завжди постійний і дорівнює +1.

Сумарний заряд двох атомів Натрію становить +2.

Сполука буде електронейтральною за умови, якщо сума всіх ступенів окиснення буде дорівнювати 0.

Якщо ступінь окиснення Сульфуру ми приймемо за х, тоді отримаємо рівняння: 2∙(+1) +х+3∙(-2)=0, розв’язавши яке, визначимо, що ступінь окиснення Сульфуру в сульфітній кислоті дорівнює + 4.

Відповідь: H2+1S+4O32.

ВИСНОВКИ

Ступінь окиснення елементів – це умовний цілочислений заряд атома в речовині.

Ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює 0.

Позитивний ступінь окиснення має елемент із меншою електронегативністю, а негативний – елемент із більшою електронегативністю.

Максимальний ступінь окиснення елементу чисельно дорівнює номеру групи, де він знаходиться.

Мінімальний ступінь окиснення неметалічного елементу можна розрахувати за форулою: 8 – № групи елементу.

Ступінь окиснення елемента можна визначити, використовуючи правило електронейтральності речовини.

Для обчислення ступенів окиснення елементів у сполуках, спочатку  вказують ступінь окиснення елементів, які мають постійне значення,  потім складають і розв’язують алгебраїчне рівняння, прийнявши значення змінного ступеня окиснення елементу за х.

Питання для закріплення знань.

  1. Що називають ступенем окиснення?
  2. Чому в простих речовинах ступінь окиснення атомів дорівнює нулю?
  3. Який знак ступеня окиснення атому, що притягує електрони?
  4. Чому атоми неметалічних елементів мають позитивні й негативні ступені окиснення?
  5. Як визначити максимальний і мінімальний ступінь окиснення неметалічних елементів?
  6. Чому атоми металічних елементів виявляють у сполуках лише позитивні ступені окиснення?
  7. Як визначити ступінь окиснення атомів у сполуках?

 

Повернутися до сторінки ступінь окиснення.