Максимальная и минимальная степени окисления. Химия подготовка к зно и дпа комплексное издание

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .

Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.

Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (N 2 , H 2 , Cl 2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Высшая степень окисления

Для элементов, проявляющих в своих соединениях различные степени окисления, существуют понятия высшей (максимальной положительной) и низшей (минимальной отрицательной) степеней окисления. Высшая степень окисления химического элемента обычно численно совпадает с номером группы в Периодической системе Д. И. Менделеева. Исключения составляют фтор (степень окисления равна -1, а элемент расположен в VIIA группе), кислород (степень окисления равна +2, а элемент расположен в VIA группе), гелий, неон, аргон (степень окисления равна 0, а элементы расположены в VIII группе), а также элементы подгруппы кобальта и никеля (степень окисления равна +2, а элементы расположены в VIII группе), для которых высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе (максимальная положительная степень окисления меди и серебра равна +2, золота +3).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Ответ Будем поочередно определять степень окисления серы в каждой из предложенных схем превращений, а затем выберем верный вариант ответа.

• В сероводороде степень окисления серы равна (-2), а в простом веществе - сере - 0:

Изменение степени окисления серы: -2 → 0, т.е. шестой вариант ответа.

• В простом веществе - сере — степень окисления серы равна 0, а в SO 3 - (+6):

Изменение степени окисления серы: 0 → +6, т.е. четвертый вариант ответа.

• В сернистой кислоте степень окисления серы равна (+4), а в простом веществе - сере - 0:

1×2 +x+ 3×(-2) =0;

Изменение степени окисления серы: +4 → 0, т.е. третий вариант ответа.

ПРИМЕР 2

Задание	Валентность III и степень окисления (-3) азот проявляет в соединении: а) N 2 H 4 ; б) NH 3 ; в) NH 4 Cl; г) N 2 O 5
Решение	Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять валентность и степень окисления азота в предложенных соединениях. а) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 4-м (1×4 = 4). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 4/2 = 2, следовательно, валентность азота равна II. Этот вариант ответа неверный. б) валентность водорода всегда равна I. Общее число единиц валентности водорода равно 3-м (1×3 = 3). Разделим полученное значение на число атомов азота в молекуле: 3/1 = 2, следовательно, валентность азота равна III. Степень окисления азота в аммиаке равна (-3): Это верный ответ.
Ответ	Вариант (б)

Валентность -

- это способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами.

Правила определения валентности

1. В молекулах простых веществ: H 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 равна единице.

2. В молекулах простых веществ: O 2 , S 8 равна двум.

3. В молекулах простых веществ: N 2 , P 4 и CO - оксиде углерода (II) - равна трем.

4. В молекулах простых веществ, которые образует углерод (алмаз, графит), а также в органических соединениях, которые он образует, валентность углерода равна четырем.

5. В составе сложных веществ водород одновалентен, кислород, в основном, двухвалентен. Для определения валентности атомов других элементов в составе сложных веществ надо знать строение этих веществ.

Степень окисления

– это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (с ионной и ковалентной полярной связью) состоят только из ионов.

Высшая степень окисления элемента равна номеру группы.

Исключения:

фтор высшая степень окисления ноль в простом веществе F 2 0

кислород высшая степень окисления +2 во фториде кислорода О +2 F 2

Низшая степень окисления элемента равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые атом элемента может принять до завершенного восьми электронного уровня)

Правила определения степени окисления (далее обозначим: ст.ок.)

Общее правило: Сумма всех степеней окисления элементов в молекуле с учетом количества атомов равна нулю (Молекула электронейтральна.) , в ионе - равна заряду иона.

I. Степень окисления простых веществ равна нулю: Са 0 , O 2 0 , Cl 2 0

II. ст.ок. в бинарных c оединениях:

Менее электроотрицательный элемент ставится на первое место. (Исключения: С -4 Н 4 + метан и N -3 H 3 + аммиак)

Нужно помнить, что

Ст.ок. металла всегда положительна

Ст.ок. металлов I , II , III групп главных подгрупп постоянна и равна номеру группы

Для остальных ст.ок. вычисляется по общему правилу.

Более электроотрицательный элемент ставится на второе место, его ст.ок. равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые он принимает до завершенного восьми электронного уровня).

Исключения: пероксиды, например, Н 2 +1 О 2 -1 , Ba +2 O 2 -1 и др. ; карбиды металлов I и II групп Ag 2 +1 C 2 -1 , Ca +2 C 2 -1 и др. (В школьном курсе встречается соединение FeS 2 - пирит. Это дисульфид железа. Степень окисления серы в нем (-1) Fe +2 S 2 -1 ). Это происходит потому, что в этих соединениях есть связи между одинаковыми атомами -О-О-, -S -S- , тройная связь в карбидах между атомами углерода. Степень окисления и валентность элементов в этих соединениях не совпадают: у углерода валентность IV , у кислорода и серы II .

III. Степень окисления в основаниях Ме + n (ОН) n равна количеству гидроксогрупп .

1. в гидроксогруппе ст.ок. кислорода -2, водорода +1, заряд гидроксогруппы 1-

2. ст.ок. металла равна количеству гидроксогрупп

IV. Степень окисления в кислотах:

1. ст.ок. водорода +1, кислорода -2

2. ст.ок. центрального атома вычисляется по общему правилу путем решения простого уравнения

Например, Н 3 +1 Р х О 4 -2

3∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0

3 + х – 8 = 0

х = +5 (не забудьте знак +)

Можно запомнить , что у кислот с высшей ст.ок. центрального элемента, соответствующего номеру группы, название будет заканчиваться на –ная:

Н 2 СО 3 угольная Н 2 С +4 О 3

Н 2 Si О 3 кремниевая (искл.) Н 2 Si +4 О 3

НN О 3 азотная НN +5 О 3

Н 3 P О 4 фосфорная Н 3 P +5 О 4

Н 2 S О 4 серная Н 2 S +6 О 4

НСl О 4 хлорная НCl +7 О 4

Н Mn О 4 марганцовая НMn +7 О 4

Останется запомнить:

Н N О 2 азотистая НN +3 О 2

Н 2 S О 3 сернистая Н 2 S +4 О 3

НСl О 3 хлорноватая НCl +5 О 3

НСl О 2 хлористая НCl +3 О 2

НСl О хлорноватистая НCl +1 О

V. Степень окисления в солях

у центрального атома такая же, как в кислотном остатке. Достаточно помнить или определить ст.ок. элемента в кислоте.

VI. Степень окисления элемента в сложном ионе равна заряду иона.

Например, NH 4 + Cl - : записываем ион N х Н 4 +1

х + 4∙(+1) = +1

х= - 3;

ст.ок. азота -3

Наприме р, определить ст.ок. элементов в гексацианоферрате(III ) калия К 3

У калия +1: К 3 +1 , отсюда заряд иона 3-

У железа +3 (указано в названии) 3- , отсюда (CN ) 6 6-

У одной группы (CN ) -

Более электроотрицательный азот: у него -3, отсюда (C х N -3 ) -

х – 3 = - 1

х = +2

ст.ок. углерода +2

VII. Степень окисления углерода в органических соединениях разнообразна и вычисляется, исходя из учета того, что ст.ок. водорода равна +1, кислорода -2

Например, С 3 Н 6

3∙х + 6∙1 = 0

3х = -6

х = -2

ст.ок. углерода -2 (при этом валентность углерода равна IV)

Задание. Определить степень окисления и валентность фосфора в фосфорноватистой кислоте H 3 PO 2 .

Вычислим степень окисления фосфора.

Обозначим её за х. Подставим степень окисления водорода +1, а кислорода -2, умножив на соответствующее количество атомов: (+1) ∙ 3 + х + (-2) ∙ 2 = 0, отсюда х = +1.

В настоящее время описание химии любого элемента начинают с электронной формулы, выделения особых валентных электронов и сведений о степенях окисления, проявляемых элементов в соединениях.

Количество валентных электронов и тип орбиталей, на которых они находятся, определяет степени окисления, проявляемых элементом при образовании соединений .

Степень окисления металла определяется количеством электронов, участвующих в образовании связи с более электроотрицательными элементами (например, с кислородом, галогенами, серой и др.). Будем обозначать степень окисления элемента Х Э . Предельно возможная (максимальная) степень окисления определяется общим числом валентных электронов. При образовании соединения металл может использовать не все свои валентные электроны, в этом случае металл оказывается в некоторой промежуточной степени окисления. При этом для металлов р- и d-блоков, как правило, характерно несколько степеней окисления. Для каждого металла среди промежуточных степеней окисления можно выделить наиболее характерные, т.е. степени окисления, проявляемые металлом в своих распространенных и относительно устойчивых соединениях.

Степени окисления, проявляемые s- и р-металлами

У всех s-элементов есть только одна степень окисления, совпадающая с общим числом валентных электронов, т.е. все s-элементы 1 группы имеют степень окисления +1, а элементы второй группы +2.

У р-элементов из-за различий в энергии s- и p-орбиталей последнего слоя дифференцируются две степени окисления. Одна степень окисления определяется числом электронов на внешних р-орбиталях, а другая - общим количеством валентных электронов. Только у р-элементов 13 группы устойчивой является одна степень окисления +3, кроме Tl с более устойчивой степенью окисления +1.

У р-элементов 14 группы есть две степени окисления +2 и +4 .

У Bi есть две степени окисления +3 и +5 .

Особая «чувствительность» s-электронов к ядру, приводящая к тому, что при большом заряде ядра s- электроны сильнее им удерживаются, объясняет, почему у р-элементов 6 периода становится устойчивой степень окисления, связанная с потерей только р-электронов. У р-элементов шестого периода устойчивы степени окисления: +1 у Tl, +2 - у Pb и + 3- у Bi.
В таблице приведены степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков.

Степени окисления, проявляемые металлами s- и р-блоков

периоды	ряды	Группы
		1	2	13	14	15
В. e-		ns 1	ns 2	ns 2 np 1	ns 2 np 2	ns 2 np 3
II		Li +1	Be +2
III	3	Na +1	Mg +2	Al (1), 3
IV	4	K +1	Ca +2	Ga (1), 3
V	5	Rb +1	Sr +2	In (1), 3	Sn 2 , 4
VI	6	Cs +1	Ba +2	Tl 1 , 3	Pb 2 , 4	Bi 3 , 5

Степени окисления d-металлов

Только d-элементы 3 и 12 групп имеют по одной степени окисления. У элементов 13 группы она равна общему числу электронов, т.е. +3. У элементов 12 группы d-орбитали полностью заполнены электронами и в образовании химических связей участвуют только два электрона с внешней s-орбитали, поэтому элементы 12 группы имеют одну степень окисления +2.

Максимальную степень окисления, обусловленную общим количеством электронов, проявляют только d-элементы 3 ¸ 7 групп. А также и Os и Ru, проявляющие степень окисления +8. При движении к концу переходных рядов с ростом числа электронов на d-орбиталях и повышением эффективного заряда ядра самая большая степень окисления становится меньше общего числа валентных электронов.

Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов .

Из-за различий в энергии s-электронов 4 слоя и d-электронов 3 слоя все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда.

У d-элементов 4 периода наиболее устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4 .

При большом заряде ядра s-электроны сильнее удерживаются, различие в энергиях ns- и (n-1)d-орбиталей уменьшается, и это приводит к тому, что у d-элементов 5 и 6 периодов высшие степени окисления в 3 ¸ 7 группах становятся самыми устойчивыми. Вообще, у d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления больше 4 . Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп.

В приведенных ниже таблицах указаны характерные степени окисления d-металлов, красным цветом выделены наиболее устойчивые. В таблицу не включены степени окисления, проявляемые металлами в редких и неустойчивых соединениях.
При описании химии любого элемента обязательно указывают характерные для него степени окисления.

Валентные электроны и наиболее характерные степени окисления для d-элементов 4 периода

группа	3	4	5	6	7	8	9	10	11	I2
Металлы 4 периода	21 Sc	22 Ti	23 V	24 Cr	25 Mn	26 Fe	27 Co	28 Ni	29 Cu	30 Zn
В e-	3d 1 4s 2	3d 2 4s 2	3d 3 4s 2	3d 5 4s 1	3d 5 4s 2	3d 6 4s 2	3d 7 4s 2	3d 8 4s 2	3d 10 4s 1	3d 10 4s 2
Х max	3	4	5	6	7	6	3 (4)	3 (4)	2 (3)	2
Наиболее характерные Х	3	2, 3,4	2, 3, 4,5	2,3,6	2, 3, 4 6, 7	2, 3, 6	2, 3	2, 3	1, 2	2
Наиболее устойчивые Х	3	4	4, 5	3	2, 4	2, 3	2	2	2	2
Х в природных соединениях	3	4	4, 5	3, 6	4, 2, 3	3, 2	2	2	2, 1	2

Наиболее характерные степени окисления для d-элементов 5 и 6 периодов

группа	3	4	5	6	7	8	9	10	11	I2
Металлы 5 периода	39 Y	40 Zr	41 Nb	42 Mo	43 Tc	44 Ru	45 Rh	46 Pd	47 Ag	48 Cd
В e-	4d 1 5s 2	4d 2 5s 2	4d 4 5s 1	4d 5 5s 1	4d 6 5s 1	4d 7 5s 1	4d 8 5s 1	4d 10 5s 0	4d 10 5 s 1	4d 10 5s 2
Х max	3	4	5	6	7	8	6	4	3	2
Наиболее характерные Х	3	4	5	4, 6	4, 7	4 , 6,7,8	3, 4,5,6	2, 4	1, 2,3	2
Наиболее устойчивые Х	3	4	5	6	7	4	3	2	1	2
Х в природных соединениях	3	4	5	4, 6	нет в природе	0	0	0	0, 1	2
Металлы 6 периода	57 La	72 Hf	73 Ta	74 W	75 Re	76 Os	77 Ir	78 Pt	79 Au	80 Hg
В e-	5d 1 6s 2	5d 2 6s 2	5d 3 6s 2	5d 4 6s 2	5d 5 6s 2	5d 6 6s 2	5d 7 6s 2	5d 9 6s 1	5d 10 6s 1	5d 10 6s 2
Х max	3	4	5	6	7	8	6	4 (6)	3	2
Наиболее характерные Х	3	4	4, 5	4, 5, 6	4 ,5 6,7	4 , 6,7,8	3,4 ,5,6	2 ,4 , 6	1 , 3	2
Более устойчивые Х	3	4	5	6	7, 4	4	4	4	1	2
Х в природных соединениях	3	4	5	6	4	0	0	0	0	2

Все соединения металлов в положительных степенях окисления способны проявлять окислительные свойства и восстанавливаться. Металлы и получают, восстанавливая соединения металла либо природные, либо предварительно полученные из природных минералов.

Соединения, содержащие элемент в любой степени окисления, меньшей, чем максимальная, способны окисляться, терять электроны и проявлять восстановительные свойства.

У соединений, содержащих металл в низкой и неустойчивой степени окисления, выражены восстановительные свойства. Так, например, соединения Ti(+2), V(+2), Cr(+2) восстанавливают воду.

2VO + 2H 2 O = 2VOOH + H 2

Вещества, содержащие элемент в высоких и неустойчивых степенях окисления, обычно проявляют сильные окислительные свойства, как например, соединения Mn и Cr в степенях окисления 6 и 7. Сильные окислительные свойства проявляет оксид PbO 2 и соли Bi(+5). У этих элементов высшие степени окисления неустойчивы.

все s-элементы 1 группы имеют степень окисления +1,

s-элементы второй группы +2.

Для р-элементов характерны две степени окисления, исключение составляют элементы 3 группы. Одна степень окисления определяется числом электронов на внешних р-орбиталях, а другая - общим количеством валентных электронов.

• У р-элементов 13 группы устойчивой является одна степень окисления +3, кроме Tl с более устойчивой степенью окисления +1.
• У р-элементов 14 группы есть две степени окисления +2 и +4.
• У Bi есть две степени окисления +3 и +5.

Металлы d-блока из-за большого числа валентных электронов проявляют многообразие степеней окисления.

• Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов.
• Все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда.
• У d-элементов 4 периода более устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4.
• У d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления ³ 4. Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп.
• Максимальную степень окисления, обусловленную общим количеством электронов, проявляют только d-элементы 3 ¸ 7 групп, а также Os и Ru, проявляющие степень окисления +8.
• Характерные степени окисления металлов указаны в таблицах.
• Степень окисления - это важный стехиометрический параметр, позволяющий записывать химические формулы соединений
• На степени окисления основывается окислительно-восстановительная классификация соединений. Cтепень окисления оказывается самой важной характеристикой металла при прогнозировании окислительно-восстановительных свойств его соединений.
• При кислотно-основной классификации оксидов и гидроксидов также опираются на степень окисления металла. Высокие степени окисления > +5 обуславливают кислотные свойства, а степени окисления £ +4, обеспечивают основные свойства.
• Роль степеней окисления велика в структурировании описания химии элемента, как правило, соединения группируют по степеням окисления.

Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:

График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.

При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.

Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.

Степень окисления

Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?

1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.

2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:

3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:

Элемент	Степень окисления практически во всех соединениях	Исключения
водород H	+1	Гидриды щелочных и щелочно-земельных металлов, например:
кислород O	-2	Пероксиды водорода и металлов: Фторид кислорода —

4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.

5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.

Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)

6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:

низшая степень окисления неметалла = № группы − 8

Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.

Нахождение степеней окисления элементов в различных соединениях

Пример 1

Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.

Решение:

Запишем формулу серной кислоты:

Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).

Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF 2). Расставим известные степени окисления:

Обозначим степень окисления серы как x :

Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:

Т.е. мы получили следующее уравнение:

Решим его:

Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.

Пример 2

Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.

Решение:

Запишем формулу дихромата аммония:

Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:

Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).

Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH 4 + (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости). Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH 4 + , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH 4 + и анионами Cr 2 O 7 2- .

Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:

Т.е. мы получаем два независимых уравнения:

Решая которые, находим x и y :

Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.

Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать .

Валентность

Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.

Валентные возможности атома зависят от количества:

1) неспаренных электронов

2) неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней

3) пустых электронных орбиталей валентного уровня

Валентные возможности атома водорода

Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:

Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.

Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.

Валентные возможности атома углерода

Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:

Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:

Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.

Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных () орбиталей валентного уровня. Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:

Валентные возможности атома азота

Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:

Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH 3), азотистой кислоты (HNO 2), треххлористого азота (NCl 3) и т.д.

Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор() предоставляет ее другому атому с вакантной () орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е. для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:

Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.

Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии. Атом азота не имеет d -подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO 3 или оксида азота N 2 O 5 ? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:

Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованная π -связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O 3 , бензола C 6 H 6 и т.д.

Валентные возможности фосфора

Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:

Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.

Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d -подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.

В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s -орбитали:

Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.

Валентные возможности атома кислорода

Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:

Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).

Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d -подуровня, распаривание электронов s и p- орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.

Валентные возможности атома серы

Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:

У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H 2 S.

Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d -подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p -подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:

В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO 2 , SF 4 , SOCl 2 и т.д.

При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s -подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:

В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO 3 , H 2 SO 4 , SO 2 Cl 2 и т.д.

Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.

Такой предмет школьной программы как химия вызывает многочисленные затруднения у большинства современных школьников, мало кто может определить степень окисления в соединениях. Наибольшие сложности у школьников, которые изучают то есть учеников основной школы (8-9 классы). Непонимание предмета приводит к возникновению неприязни у школьников к данному предмету.

Педагоги выделяют целый ряд причин такой «нелюбви» учеников средних и старших классов к химии: нежелание разбираться в сложных химических терминах, неумение пользоваться алгоритмами для рассмотрения конкретного процесса, проблемы с математическими знаниями. Министерством образования РФ были внесены серьезные изменение в содержание предмета. К тому же "урезали" и количество часов на преподавание химии. Это негативно сказалось на качестве знаний по предмету, снижению интереса к изучению дисциплины.

Какие темы курса химии даются школьникам труднее всего?

По новой программе в курс учебной дисциплины «Химия» основной школы включено несколько серьезных тем: периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева, классы неорганических веществ, ионный обмен. Труднее всего дается восьмиклассникам определение степени окисления оксидов.

Правила расстановки

Прежде всего ученики должны знать, что оксиды являются сложными двухэлементными соединениями, в состав которых включен кислород. Обязательным условием принадлежности бинарного соединения к классу оксидов является расположение кислорода вторым в данном соединении.

Алгоритм для кислотных оксидов

Для начала заметим, что степени численные выражения валентности элементов. Кислотные оксиды образованы неметаллами либо металлами с валентностью от четырех до семи, вторым в таких оксидах обязательно стоит кислород.

В оксидах валентность кислорода всегда соответствует двум, определить ее можно по периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Такой типичный неметалл как кислород, находясь в 6 группе главной подгруппы таблицы Менделеева, принимает два электрона, чтобы полностью завершить свой внешний энергетический уровень. Неметаллы в соединениях с кислородом чаще всего проявляют высшую валентность, которая соответствует номеру самой группы. Важно напомнить, что степень окисления химических элементов это показатель, предполагающий положительное (отрицательное) число.

Неметалл, стоящий в начале формулы, обладает положительной степенью окисления. Неметалл кислород же в оксидах стабилен, его показатель -2. Для того чтобы проверить достоверность расстановки значений в кислотных окислах, придется перемножить все поставленные вами цифры на индексы у конкретного элемента. Расчеты считаются достоверными, если суммарный итог всех плюсов и минусов поставленных степеней получается 0.

Составление двухэлементных формул

Степень окисления атомов элементов дает шанс создавать и записывать соединения из двух элементов. При создании формулы, для начала оба символа прописывают рядом, обязательно вторым ставят кислород. Сверху над каждым из записанных знаков прописывают значения степеней окисления, затем между найденными числами находится то число, что будет без какого-либо остатка делиться на обе цифры. Данный показатель необходимо поделить по отдельности на числовое значение степени окисления, получая индексы для первого и второго компонентов двухэлементного вещества. Высшая степень окисления равна численно значению высшей валентности типичного неметалла, идентична номеру группы, где стоит неметалл в ПС.

Алгоритм постановки числовых значений в основных оксидах

Подобными соединениями считаются оксиды типичных металлов. Они во всех соединениях имеют показатель степени окисления не более +1 либо +2. Для того чтобы понять, какую будет иметь степень окисления металл, можно воспользоваться периодической системой. У металлов основных подгрупп первой группы, данный параметр всегда постоянный, он аналогичен номеру группы, то есть +1.

Металлы основной подгруппы второй группы также характеризуются стабильной степенью окисления, в цифровом выражении +2. Степени окисления оксидов в сумме с учетом их индексов (числа) должны давать нуль, поскольку химическая молекула считается нейтральной, лишенной заряда, частицей.

Расстановка степеней окисления в кислородсодержащих кислотах

Кислоты представляют собой сложные вещества, состоящими из одного или нескольких атомов водорода, которые связаны с каким-то кислотным остатком. Учитывая, что степени окисления это цифровые показатели, для их вычисления потребуются некоторые математические навыки. Такой показатель для водорода (протона) в кислотах всегда стабилен, составляет +1. Далее можно указать степень окисления для отрицательного иона кислорода, она также стабильная, -2.

Лишь только после этих действий, можно вычислять степень окисления у центрального компонента формулы. В качестве конкретного образца рассмотрим определение степени окисления элементов в серной кислоте H2SO4. Учитывая, что в молекуле данного сложного вещества содержится два протона водорода, 4 атома кислорода, получаем выражение такого вида +2+X-8=0. Для того чтобы в сумме образовывался ноль, у серы будет степень окисления +6

Расстановка степеней окисления в солях

Соли представляют собой сложные соединения, состоящие из ионов металла и одного либо нескольких кислотных остатков. Методика определения степеней окисления у каждого из составных частей в сложной соли такая же, как и в кислородсодержащих кислотах. Учитывая, что степень окисления элементов - это цифровой показатель, важно правильно обозначить степень окисления металла.

Если металл, образующий соль, располагается в главной подгруппе, его степень окисления будет стабильной, соответствует номеру группы, является положительной величиной. Если же в соли содержится металл подобной подгруппы ПС, проявляющий разные металла можно по кислотному остатку. После того как установлена будет степень окисления металла, ставят (-2), далее вычисляют степень окисления центрального элемента, воспользовавшись химическим уравнением.

В качестве примера рассмотрим определение степеней окисления у элементов в (средней соли). NaNO3. Соль образована металлом главной подгруппы 1 группы, следовательно, степень окисления натрия будет +1. У кислорода в нитратах степень окисления составляет -2. Для определения численного значения степени окисления составляет уравнение +1+X-6=0. Решая данное уравнение, получаем, что X должен быть +5, это и есть

Основные термины в ОВР

Для окислительного, а также восстановительного процесса существуют специальные термины, которые обязаны выучить школьники.

Степень окисления атома это его непосредственная способность присоединять к себе (отдавать иным) электроны от каких-то ионов или же атомов.

Окислителем считают нейтральные атомы или заряженные ионы, в ходе химической реакции присоединяющие себе электроны.

Восстановителем станут незаряженные атомы или заряженные ионы, что в процессе химического взаимодействия теряют собственные электроны.

Окисление представляется как процедура отдачи электронов.

Восстановление связано с принятием дополнительных электронов незаряженным атомом или ионом.

Окислительно-восстановительны процессом характеризуется реакция, в ходе которой обязательно меняется степень окисления атома. Это определение позволяет понять, как можно определить, является ли реакция ОВР.

Правила разбора ОВР

Пользуясь данным алгоритмом, можно расставить коэффициенты в любой химической реакции.