Степень окисления. Степени окисления химических элементов У каких элементов степень окисления 4

При определении этого понятия условно полагают, что связующие (валентные) электроны переходят к более электроотрицательным атомам (см. Электроотрицательность), а потому соединения состоят как бы из положительно и отрицательно заряженных ионов . Степень окисления может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху.

Нулевое значение степени окисления приписывается атомам элементов, находящихся в свободном состоянии, например: Cu, H 2 , N 2 , P 4 , S 6 . Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, в сторону которых смещается связующее электронное облако (электронная пара). У фтора во всех его соединениях она равна −1. Положительную степень окисления имеют атомы, отдающие валентные электроны другим атомам. Например, у щелочных и щелочноземельных металлов она соответственно равна +1 и +2. В простых ионах , подобных Cl − , S 2− , K + , Cu 2+ , Al 3+ , она равна заряду иона . В большинстве соединений степень окисления атомов водорода равна +1, но в гидридах металлов (соединениях их с водородом) - NaH, CaH 2 и других - она равна −1. Для кислорода характерна степень окисления −2, но, к примеру, в соединении с фтором OF 2 она будет +2, а в перекисных соединениях (BaO 2 и др.) −1. В некоторых случаях эта величина может быть выражена и дробным числом: для железа в оксиде железа (II, III) Fe 3 O 4 она равна +8/3.

Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в соединении равна нулю, а в сложном ионе - заряду иона. С помощью этого правила вычислим, например, степень окисления фосфора в ортофосфорной кислоте H 3 PO 4 . Обозначив ее через x и умножив степень окисления для водорода (+1) и кислорода (−2) на число их атомов в соединении, получим уравнение: (+1) 3+x+(−2) 4=0, откуда x=+5. Аналогично вычисляем степень окисления хрома в ионе Cr 2 O 7 2− : 2x+(−2) 7=−2; x=+6. В соединениях MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , K 2 MnO 4 , KMnO 4 степень окисления марганца будет соответственно +2, +3, +4, +8/3, +6, +7.

Высшая степень окисления - это наибольшее положительное ее значение. Для большинства элементов она равна номеру группы в периодической системе и является важной количественной характеристикой элемента в его соединениях. Наименьшее значение степени окисления элемента, которое встречается в его соединениях, принято называть низшей степенью окисления; все остальные - промежуточными. Так, для серы высшая степень окисления равна +6, низшая −2, промежуточная +4.

Изменение степеней окисления элементов по группам периодической системы отражает периодичность изменения их химических свойств с ростом порядкового номера.

Понятие степени окисления элементов используется при классификации веществ, описании их свойств, составлении формул соединений и их международных названий. Но особенно широко оно применяется при изучении окислительно-восстановительных реакций . Понятие «степень окисления» часто используют в неорганической химии вместо понятия «валентность» (см.

Задание 54.
Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?
Решение:
Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой электронной оболочки инертного газа ns2np6 (в случае с водородом ns 2). Водород, фтор, сера и азот находятся соответственно в IА-, VIIА-, VIА- и VА- группах периодической системы химических элементов и имеют структуру внешнего энергетического уровня s 1 , s 2 p 5 , s 2 p 4 и s 2 p 3 .

Таким образом, для завершения внешнего энергетического уровня, атому водорода и атому фтора необходимо присоединить по одному электрону, атому серы – два, атому азота – три. Отсюда низкая степень окисления для водорода, фтора, серы и азота равна соответственно -1, -1, -2 и -3. Формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления:

CaH 2 – гидрид кальция;
CaF 2 – фторид кальция;
CaS – сульфид кальция;
Ca 3 N 2 – нитрид кальция.

Задание 55.
Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение:
Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы
Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа ns 2 np 6 (в случае с водородом ns 2). Кремний, мышьяк, селен и хлор находятся соответственно в IVА-, VА-, VIа- и VIIА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня соответственно s 2 p 2 , s 2 p 3 , s 2 p 4 и s 2 p5. Таким образом, высшая степень окисления кремния мышьяка, селена и хлора равна соответственно +4, +5, +6 и +7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: H 2 SiO 3 – кремневая кислота; Н 3 AsO 4 – мышьяковая кислота; H 2 SeO 4 – селеновая кислота; HClO 4 – хлорная кислота.

Низшая степень окисления кремния мышьяка, селена и хлора равна соответственно -4, -5, -6 и -7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: H 4 Si, H 3 As, H 2 Se, HCl.

Задание 56.
Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).
Решение:
Хром образует соединения, в которых проявляет степени окисления +2, +3, +6. Формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления:

а) оксиды хрома:

CrO – оксид хрома (II);
Cr 2 O 3 – оксид хрома (III);
CrO 3 - оксид хрома (VI).

б) гидроксиды хрома:

Cr(OH) 2 – гидроксид хрома (II);
Cr(OH) 3 – гидроксид хрома (III);
H 2 CrO 4 – хромовая кислота.

Cr(OH) 3 – гидроксид хрома (III) – амфолит, т. е. вещество, которое реагирует как с кислотами, так и с основаниями. Уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III):

а) Cr(OH) 3 + 3HCl = CrCl 3 + 3H 2 O;
б) Cr(OH) 3 + 3NaOH = NaCrO 3 + 3H 2 O.

Задание 57.
Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда, как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ.
Решение:
В большинстве случаев с возрастанием заряда ядра атомов элементов закономерно увеличиваются их относительные атомные массы, потому что происходит закономерное увеличение содержания протонов и нейтронов в ядрах атомов. Свойства простых тел изменяются периодически, потому что на наружном энергетическом уровне у атомов периодически изменяется количество электронов. У атомов элементов периодически с возрастанием заряда ядра возрастает число электронов на внешнем энергетическом уровне, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (оболочки инертного газа). Например, периодическая повторяемость свойств у атомов Li, Na и K объясняется тем, что на наружном энергетическом уровне их атомов имеется по одному валентному электрону. Также периодически повторяются свойства у атомов Не, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn – у атомов этих элементов на наружном энергетическом уровне содержится по восемь электронов (у гелия – два электрона) – все они являются химически инертными, так как их атомы не могут ни присоединять, ни отдавать электроны атомам других элементов.

Задание 58.
Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, по-чему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, иодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?
Решение:
Современная формулировка периодического закона: «Свойства химических элементов и образуемых ими простых или сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов элементов».

Так как у атомов К, Ni, I, Pa - обладающих меньшей относительной массой, чем соответственно у Ar, Co, Te, Th – заряды атомных ядер на единицу больше

то калию, никелю, йоду и протактинию присваивается порядковые номера соответственно 19, 28, 53 и 91.Таким образом элементу в периодической системе присваивается порядковый номер не по возрастанию его атомной массы, а по количеству протонов, содержащихся в ядре данного атома, т. е. по заряду ядра атома. Номер элемента указывает заряд ядра (количество протонов, содержащихся в ядре атома), общее число электронов, содержащихся в данном атоме.

Задание 59.
Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение:
Высшую степень окисления элемента определяет, как правило, номер группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа ns2np6 (в случае с водородом ns2). Углерод, фосфор, сера и йод находятся соответственно в IVА-, VА-, VIа- и VIIА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня соответственно s 2 p 2 , s 2 p 3 , s 2 p 4 и s 2 p 5 . Таким образом, высшая степень окисления углерода, фосфора, серы и йода равна соответственно +4, +5, +6 и +7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: СО 2 – оксид углерода (II); Н 3 РO 4 – ортофосфорная кислота; H 2 SO 4 – серная кислота; HIO 4 – йодная кислота.

Низшая степень окисления углерода, фосфора, серы и йода равна соответственно -4, -5, -6 и -7. Формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления: СH 4 , H 3 Р, H 2 S, HI.

Задание 60.
Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э 2 О 5 ? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам и изобразите их графически?
Решение:
Оксид Э 2 О 5 , где элемент находится в своей высшей степени окисления +5, характерен для элементов V группы. Такой оксид могут образовывать два элемента четвёртого периода и V- группы – это элемент №23 (ванадий) и №33 (мышьяк). Ванадий и мышьяк, как элементы пятой группы, образуют водородные соединения состава ЭН 3 , потому что они могут проявлять низшую степень окисления -3. Так как мышьяк – неметалл, то он образует с водородом газообразное соединение – H 3 As – арсин.

Формулы кислот, отвечающих оксидам в высшей степени окисления ванадия и мышьяка:

H 3 VO 4 – ортованадиевая кислота;
HVO 3 – метаванадиевая кислота;
HAsO 3 – метамышьяковая кислота;
H 3 AsO 4 – мышьяковая (ортомышьяковая) кислота.

Графические формулы кислот:

Степень окисления - условная величина, использующаяся для записи окислительно-восстановительных реакций. Для определения степени окисления используется таблица окисления химических элементов.

Значение

Степень окисления основных химических элементов основана на их электроотрицательности. Значение равно числу смещённых в соединениях электронов.

Степень окисления считается положительной, если электроны смещаются от атома, т.е. элемент отдаёт электроны в соединении и является восстановителем. К таким элементам относятся металлы, их степень окисления всегда положительная.

При смещении электрона к атому значение считается отрицательным, а элемент - окислителем. Атом принимает электроны до завершения внешнего энергетического уровня. Окислителями является большинство неметаллов.

Простые вещества, не вступающие в реакцию, всегда имеют нулевую степень окисления.

Рис. 1. Таблица степеней окисления.

В соединении положительную степень окисления имеет атом неметалла с меньшей электроотрицательностью.

Определение

Определить максимальную и минимальную степень окисления (сколько электронов может отдавать и принимать атом) можно по периодической таблице Менделеева.

Максимальная степень равна номеру группы, в которой находится элемент, или количеству валентных электронов. Минимальное значение определяется по формуле:

№ (группы) – 8.

Рис. 2. Таблица Менделеева.

Углерод находится в четвёртой группе, следовательно, его высшая степень окисления +4, а низшая - -4. Максимальная степень окисления серы +6, минимальная - -2. Большинство неметаллов всегда имеет переменную - положительную и отрицательную - степень окисления. Исключением является фтор. Его степень окисления всегда равна -1.

Следует помнить, что к щелочным и щелочноземельным металлам I и II групп соответственно, это правило не применимо. Эти металлы имеют постоянную положительную степень окисления - литий Li +1 , натрий Na +1 , калий K +1 , бериллий Be +2 , магний Mg +2 , кальций Ca +2 , стронций Sr +2 , барий Ba +2 . Остальные металлы могут проявлять разную степень окисления. Исключением является алюминий. Несмотря на нахождение в III группе, его степень окисления всегда +3.

Рис. 3. Щелочные и щелочноземельные металлы.

Из VIII группы высшую степень окисления +8 могут проявлять только рутений и осмий. Находящиеся в I группе золото и медь проявляют степень окисления +3 и +2 соответственно.

Запись

Чтобы правильно записывать степень окисления, следует помнить о нескольких правилах:

• инертные газы не вступают в реакции, поэтому их степень окисления всегда равна нулю;
• в соединениях переменная степень окисления зависит от переменной валентности и взаимодействия с другими элементами;
• водород в соединениях с металлами проявляет отрицательную степень окисления - Ca +2 H 2 −1 , Na +1 H −1 ;
• кислород всегда имеет степень окисления -2, кроме фторида кислорода и пероксида - O +2 F 2 −1 , H 2 +1 O 2 −1 .

Что мы узнали?

Степень окисления - условная величина, показывающая, сколько электронов принял или отдал атом элемента в соединении. Величина зависит от количества валентных электронов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления, т.е. являются восстановителями. Для щелочных и щелочноземельных металлов степень окисления всегда одинаковая. Неметаллы, кроме фтора, могут принимать положительную и отрицательную степень окисления.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 219.

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 .

1. Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные.

2. Высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au +3 (I группа), Cu +2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru .

3. Степени окисления неметаллов зависят от того, с каким атомом он соединён:

• если с атомом металла, то степень окисления отрицательная;
• если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов.

4. Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.

5. Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.

Элементы с неизменными степенями окисления.

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.

Данный список степеней окисления показывает все известные степени окисления химических элементов периодической таблицы Менделеева. Список основан на таблице Гринвуда со всеми дополнениями. В строках, которые выделены цветом, вписаны инертные газы степень окисления которых равна нулю.

Высшая степень окисления элемента соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au+3 (I группа), Cu+2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru.

Степени окисления металлов в соединениях

Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные, если же говорить о неметаллах, то их степень окисления зависит от того, с каким атомом он соединён элемент:

• если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов;
• если с атомом металла, то степень окисления отрицательная.

Отрицательная степень окисления неметаллов

Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный химический элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.

Обратите внимание, что степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.

Источники:

• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements - 2-е изд. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997
• Green Stable Magnesium(I) Compounds with Mg-Mg Bonds / Jones C.; Stasch A.. - Журнал Science, 2007. - Декабрь (вып. 318 (№ 5857)
• Журнал Science, 1970. - Вып. 3929. - № 168. - С. 362.
• Журнал Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1975. - С. 760b-761.
• Irving Langmuir The arrangement of electrons in atoms and molecules. - Журнал J. Am. Chem. Soc., 1919. - Вып. 41.