Как да определите най-високата и най-ниската степен на окисление. Основна химия: степен на окисление
Таблица. Степени на окисление на химичните елементи.
Таблица. Степени на окисление на химичните елементи.
Степен на окислениее условният заряд на атомите на химичен елемент в съединение, изчислен от предположението, че всички връзки са от йонен тип. Степените на окисление могат да имат положителна, отрицателна или нулева стойност, следователно алгебричната сума на степените на окисление на елементите в молекулата, като се вземе предвид броят на техните атоми, е 0, а в йона - зарядът на йона.
|
Таблица: Елементи с постоянни степени на окисление. |
|
Таблица. Степените на окисление на химичните елементи по азбучен ред.
|
Таблица. Степените на окисление на химичните елементи по брой.
|
Рейтинг на статията:
Степента на окисление. Определяне степента на окисление на атом на елемент по химичната формула на съединението. Съставяне на формула на съединението според известните степени на окисление на атомите на елементите
Степента на окисление на даден елемент е условният заряд на атом в дадено вещество, изчислен с предположението, че то се състои от йони. За да се определи степента на окисление на елементите, е необходимо да се запомнят някои правила:
1. Степента на окисление може да бъде положителна, отрицателна или нула. Обозначава се с арабска цифра със знак плюс или минус над символа на елемента.
2. При определяне на степените на окисление те изхождат от електроотрицателността на веществото: сумата от степени на окисление на всички атоми в съединението е нула.
3. Ако съединението е образувано от атоми на един елемент (в просто вещество), тогава степента на окисление на тези атоми е нула.
4. Атомите на някои химични елементи обикновено се приписват на стоманата в степен на окисление. Например степента на окисление на флуора в съединенията винаги е -1; литий, натрий, калий, рубидий и цезий +1; магнезий, калций, стронций, барий и цинк +2, алуминий +3.
5. Степента на окисление на водорода в повечето съединения е +1, а само в съединенията с някои метали е равна на -1 (KH, BaH2).
6. Степента на окисление на кислорода в повечето съединения е -2 и само в някои съединения му се приписва степен на окисление -1 (H2O2, Na2O2 или +2 (OF2).
7. Атомите на много химични елементи проявяват различни степени на окисление.
8. Степента на окисление на металния атом в съединенията е положителна и числено равна на неговата валентност.
9. Максималната положителна степен на окисление на даден елемент обикновено е равна на номера на групата в периодичната система, в която се намира елементът.
10. Минималната степен на окисление на металите е нула. За неметалите в повечето случаи по-ниската отрицателна степен на окисление е равна на разликата между номера на групата и числото осем.
11. Степента на окисление на атома образува прост йон (състои се от един атом), равен на заряда на този йон.
Използвайки горните правила, ние определяме степента на окисление на химичните елементи в състава на H2SO4. Това е сложно вещество, състоящо се от три химични елемента - водород Н, сяра S и кислород О. Отбелязваме степени на окисление на онези елементи, за които те са постоянни. В нашия случай това са водород Н и кислород О.
Нека определим неизвестното състояние на окисление на сярата. Нека степента на окисление на сярата в това съединение е x.
Нека съставим уравнения, като умножим за всеки елемент неговия индекс по степента на окисление и приравним извлеченото количество към нула: 2 (+1) + x + 4 (-2) = 0
2 + X - 8 = 0
х = +8 - 2 = +6
Следователно степента на окисление на сярата е плюс шест.
В следващия пример нека разберем как можете да напишете формула за съединение с известни степени на окисление на атомите на елементите. Нека съставим формулата на железен (III) оксид. Думата "оксид" означава, че вдясно от символа за желязо трябва да бъде изписан символът за кислород: FeO.
Обърнете внимание на степента на окисление на химичните елементи над техните символи. Степента на окисление на желязото е посочена в името в скоби (III), следователно е равна на +3, степента на окисление на кислорода в оксидите е -2.
Нека намерим най-малкото общо кратно на числата 3 и 2, това е 6. Разделяме числото 6 на 3, получаваме числото 2 – това е индексът за желязото. Разделяме числото 6 на 2, получаваме числото 3 – това е индексът за кислорода.
В следващия пример нека разберем как да формулираме формула на съединение с известни степени на окисление на атомите на елемента и йонните заряди. Нека съставим формула на калциев ортофосфат. Думата „ортофосфат“ означава, че вдясно от символа за калций трябва да се изпише киселинният остатък на ортофосфатната киселина: CaPO4.
Отбележете степента на окисление на калция (правило номер четири) и заряда на киселинния остатък (според таблицата за разтворимост).
Нека намерим най-малкото общо кратно на числата 2 и 3, това е 6. Разделим числото 6 на 2, получаваме числото 3 – това е индексът за калций. Делим числото 6 на 3, получаваме числото 2 – това е индексът за киселинния остатък.
Формалният заряд на атома в съединенията е спомагателна величина, обикновено се използва при описания на свойствата на елементите в химията. Този условен електрически заряд е степента на окисление. Стойността му се променя в резултат на много химични процеси. Въпреки че зарядът е формален, той ясно характеризира свойствата и поведението на атомите в редокс реакции (ORD).
Окисление и редукция
В миналото химиците са използвали термина "окисляване", за да опишат взаимодействието на кислорода с други елементи. Наименованието на реакциите идва от латинското наименование на кислорода - Oxygenium. По-късно се оказа, че и други елементи се окисляват. В този случай те се възстановяват - прикрепват електрони. Всеки атом по време на образуването на молекула променя структурата на своята валентна електронна обвивка. В този случай се появява формален заряд, чиято стойност зависи от броя на условно дадените или получените електрони. За характеризиране на тази стойност преди това е използван английският химичен термин "окислително число", което в превод означава "окислително число". Използването му се основава на предположението, че свързващите електрони в молекулите или йоните принадлежат на атома с по-висока електроотрицателност (EO). Способността да задържат своите електрони и да ги привличат от други атоми е добре изразена в силните неметали (халогени, кислород). Силните метали (натрий, калий, литий, калций, други алкални и алкалоземни елементи) имат противоположни свойства.
Определяне на степента на окисление
Степента на окисление е зарядът, който атомът би придобил, ако електроните, участващи в образуването на връзката, бяха напълно изместени към по-електроотрицателен елемент. Има вещества, които нямат молекулярна структура (халогениди на алкални метали и други съединения). В тези случаи степента на окисление съвпада със заряда на йона. Условният или реалният заряд показва какъв процес е протекъл преди атомите да придобият сегашното си състояние. Положителното състояние на окисление е общият брой електрони, които са били отстранени от атомите. Отрицателната стойност на степента на окисление е равна на броя на придобитите електрони. Чрез промяна на степента на окисление на химичния елемент се съди какво се случва с неговите атоми по време на реакцията (и обратно). Цветът на веществото определя какви промени в степента на окисление са настъпили. Съединенията на хрома, желязото и редица други елементи, в които те проявяват различна валентност, са оцветени по различен начин.
Отрицателни, нулеви и положителни стойности на степен на окисление
Простите вещества се образуват от химични елементи с еднаква стойност на EO. В този случай свързващите електрони принадлежат еднакво на всички структурни частици. Следователно в простите вещества степента на окисление (H 0 2, O 0 2, C 0) не е характерна за елементите. Когато атомите приемат електрони или общият облак се измества в тяхната посока, обичайно е зарядите да се записват със знак минус. Например F -1, O -2, C -4. Отдавайки електрони, атомите придобиват реален или формален положителен заряд. В OF 2 оксид кислородният атом отдава по един електрон на два флуорни атома и е в състояние на окисление O +2. Смята се, че в една молекула или многоатомен йон по-електроотрицателните атоми получават всички свързващи електрони.
Сярата е елемент, който проявява различни валентности и степени на окисление.
Химичните елементи от основните подгрупи често проявяват по-ниска валентност, равна на VIII. Например валентността на сярата в сероводорода и металните сулфиди е II. Елементът се характеризира с междинни и по-високи валентности във възбудено състояние, когато атомът отдава един, два, четири или всичките шест електрона и проявява съответно I, II, IV, VI валенции. Същите стойности, само със знак минус или плюс, имат степени на окисление на сярата:
- във флуорен сулфид дава един електрон: -1;
- в сероводород, най-ниската стойност: -2;
- в междинно състояние на диоксид: +4;
- в триоксид, сярна киселина и сулфати: +6.
В най-високото си състояние на окисление сярата приема само електрони; в най-ниското си състояние проявява силни редуциращи свойства. Атомите S +4 могат да действат като редуциращи или окислителни агенти в съединения, в зависимост от условията.
Пренос на електрони при химични реакции
При образуването на кристал на натриев хлорид натрият отдава електрони на по-електроотрицателния хлор. Степените на окисление на елементите съвпадат със зарядите на йоните: Na +1 Cl -1 . За молекули, създадени чрез социализация и изместване на електронни двойки към по-електроотрицателен атом, е приложима само концепцията за формален заряд. Но може да се приеме, че всички съединения са съставени от йони. Тогава атомите, привличайки електрони, придобиват условен отрицателен заряд, а отдавайки, придобиват положителен. В реакциите посочете колко електрони са изместени. Например, в молекулата на въглеродния диоксид C +4 O - 2 2, индексът, посочен в горния десен ъгъл на химическия символ за въглерод, показва броя на електроните, отстранени от атома. Кислородът в това вещество има степен на окисление -2. Съответният индекс с химичен знак О е броят на добавените електрони в атома.
Как да изчислим степени на окисление
Преброяването на броя на електроните, дарени и добавени от атомите, може да отнеме много време. Следните правила улесняват тази задача:
- В простите вещества степента на окисление е нула.
- Сумата от окисляването на всички атоми или йони в неутрално вещество е нула.
- В комплексния йон сумата от степени на окисление на всички елементи трябва да съответства на заряда на цялата частица.
- По-електроотрицателният атом придобива отрицателна степен на окисление, което се записва със знак минус.
- По-малко електроотрицателни елементи получават положителни степени на окисление, те се записват със знак плюс.
- Кислородът обикновено показва степен на окисление -2.
- За водорода характерната стойност е: +1, в металните хидриди се среща: H-1.
- Флуорът е най-електроотрицателният от всички елементи, неговата степен на окисление винаги е -4.
- За повечето метали окислителните числа и валентностите са еднакви.
Степен на окисление и валентност
Повечето съединения се образуват в резултат на редокс процеси. Преходът или изместването на електрони от един елемент към друг води до промяна в тяхното окислително състояние и валентност. Често тези стойности съвпадат. Като синоним на термина "степен на окисление" може да се използва фразата "електрохимична валентност". Но има изключения, например в амониевия йон азотът е четиривалентен. В същото време атомът на този елемент е в степен на окисление -3. В органичните вещества въглеродът винаги е четиривалентен, но степента на окисление на С атома в метан CH 4, мравчен алкохол CH 3 OH и HCOOH киселина има различни стойности: -4, -2 и +2.
Редокс реакции
Redox включва много от най-важните процеси в индустрията, технологиите, живата и неживата природа: горене, корозия, ферментация, вътреклетъчно дишане, фотосинтеза и други явления.
При съставянето на уравненията на OVR коефициентите се избират по метода на електронния баланс, при който се оперират следните категории:
- степени на окисление;
- редукторът отдава електрони и се окислява;
- окислителят приема електрони и се редуцира;
- броят на дадените електрони трябва да е равен на броя на прикрепените.
Придобиването на електрони от атома води до намаляване на неговото окислително състояние (редукция). Загубата на един или повече електрони от атом е придружена от увеличаване на степента на окисление на елемента в резултат на реакции. За OVR, протичащи между йони на силни електролити във водни разтвори, по-често се използва не електронният баланс, а методът на полуреакциите.
Задачата за определяне на степента на окисление може да бъде както проста формалност, така и сложен пъзел. На първо място, това ще зависи от формулата на химическото съединение, както и от наличието на елементарни познания по химия и математика.
Познавайки основните правила и алгоритъма на последователните логически действия, които ще бъдат обсъдени в тази статия, при решаване на проблеми от този тип, всеки може лесно да се справи с тази задача. И след като сте се обучили и научили да определяте степента на окисление на различни химични съединения, можете спокойно да поемете изравняването на сложни окислително-редукционни реакции чрез метода за съставяне на електронен баланс.
Понятието степен на окисление
За да научите как да определите степента на окисление, първо трябва да разберете какво означава това понятие?
- Степента на окисление се използва при запис в редокс реакции, когато електроните се прехвърлят от атом на атом.
- Степента на окисление фиксира броя на прехвърлените електрони, обозначавайки условния заряд на атома.
- Степента на окисление и валентността често са идентични.
Това обозначение се изписва отгоре на химичния елемент, в десния му ъгъл и е цяло число със знак „+“ или „-“. Нулевата стойност на степента на окисление не носи знак.
Правила за определяне на степента на окисление
Помислете за основните канони за определяне на степента на окисление:
- Простите елементарни вещества, тоест тези, които се състоят от един вид атоми, винаги ще имат нулева степен на окисление. Например Na0, H02, P04
- Има редица атоми, които винаги имат едно, постоянно състояние на окисление. По-добре е да запомните стойностите, дадени в таблицата.
- Както можете да видите, единственото изключение е водородът в комбинация с метали, където придобива степен на окисление „-1“, която не е характерна за него.
- Кислородът също има степен на окисление "+2" в химическа комбинация с флуор и "-1" в съставите на пероксиди, супероксиди или озониди, където кислородните атоми са свързани един с друг.
- Металните йони имат няколко стойности на степента на окисление (и само положителни), така че се определя от съседни елементи в съединението. Например в FeCl3 хлорът има степен на окисление "-1", има 3 атома, така че умножаваме -1 по 3, получаваме "-3". За да бъде сумата от степени на окисление на съединението "0", желязото трябва да има степен на окисление "+3". Във формулата FeCl2 желязото съответно ще промени степента си на "+2".
- Математически сумирайки степените на окисление на всички атоми във формулата (като се вземат предвид знаците), винаги трябва да се получава нулева стойност. Например в солна киселина H + 1Cl-1 (+1 и -1 = 0), а в сярна киселина H2 + 1S + 4O3-2 (+1 * 2 = +2 за водород, +4 за сяра и -2 * 3 = -6 за кислород; +6 и -6 се събират до 0).
- Степента на окисление на моноатомен йон ще бъде равна на неговия заряд. Например: Na+, Ca+2.
- Най-високата степен на окисление, като правило, съответства на номера на групата в периодичната система на Д. И. Менделеев.
Алгоритъм на действията за определяне на степента на окисление
Редът за намиране на степента на окисление не е сложен, но изисква внимание и определени действия.
Задача: Подредете степените на окисление в съединението KMnO4
- Първият елемент, калият, има постоянна степен на окисление "+1".
За да проверите, можете да погледнете периодичната система, където калият е в 1-ва група елементи. - От останалите два елемента, кислородът има тенденция да приеме степен на окисление "-2".
- Получаваме следната формула: K + 1MnxO4-2. Остава да се определи степента на окисление на мангана.
И така, х е степента на окисление на мангана, която не ни е известна. Сега е важно да обърнете внимание на броя на атомите в съединението.
Броят на атомите на калия е 1, на мангана - 1, на кислорода - 4.
Като се вземе предвид електрическата неутралност на молекулата, когато общият (общият) заряд е нула,
1*(+1) + 1*(x) + 4(-2) = 0,
+1+1x+(-8) = 0,
-7+1x = 0,
(при прехвърляне сменете знака)
1x = +7, x = +7
Така степента на окисление на мангана в съединението е "+7".
Задача: подредете степени на окисление в съединението Fe2O3.
- Кислородът, както знаете, има степен на окисление "-2" и действа като окислител. Като се има предвид броя на атомите (3), общата стойност на кислорода е „-6” (-2*3= -6), т.е. умножете степента на окисление по броя на атомите.
- За да се балансира формулата и да се доведе до нула, 2 железни атома ще имат степен на окисление "+3" (2*+3=+6).
- В сумата получаваме нула (-6 и +6 = 0).
Задача: подредете степените на окисление в съединението Al(NO3)3.
- Алуминиевият атом е един и има постоянна степен на окисление "+3".
- В молекулата има 9 (3 * 3) кислородни атома, степента на окисление на кислорода, както знаете, е „-2“, което означава, че като умножим тези стойности, получаваме „-18“.
- Остава да се изравнят отрицателните и положителните стойности, като по този начин се определи степента на окисление на азота. -18 и +3, липсва + 15. И като се има предвид, че има 3 азотни атома, лесно е да се определи степента му на окисление: разделете 15 на 3 и вземете 5.
- Степента на окисление на азота е "+5", а формулата ще изглежда така: Al + 3 (N + 5O-23) 3
- Ако е трудно да се определи желаната стойност по този начин, можете да съставите и решите уравнения:
1*(+3) + 3x + 9*(-2) = 0.
+3+3x-18=0
3x=15
х=5
И така, степента на окисление е доста важна концепция в химията, символизираща състоянието на атомите в молекулата.
Без познаване на определени разпоредби или основи, които ви позволяват правилно да определите степента на окисление, е невъзможно да се справите с тази задача. Следователно има само едно заключение: да се запознаете добре и да изучите правилата за намиране на степента на окисление, ясно и кратко представени в статията, и смело да продължите по трудния път на химическата мъдрост.
В много училищни учебници и ръководства те учат как да пишат формули за валентности, дори за съединения с йонни връзки. За да се опрости процедурата за съставяне на формули, това според нас е приемливо. Но трябва да разберете, че това не е съвсем правилно поради горните причини.
По-универсална концепция е концепцията за степента на окисление. По стойностите на степента на окисление на атомите, както и по стойностите на валентността, могат да се съставят химични формули и да се запишат формулни единици.
Степен на окислениее условният заряд на атом в частица (молекула, йон, радикал), изчислен в приближението, че всички връзки в частицата са йонни.
Преди да се определят степени на окисление, е необходимо да се сравни електроотрицателността на свързващите атоми. Атом с по-висока електроотрицателност има отрицателна степен на окисление, докато атом с по-ниска електроотрицателност има положителна.
За да се сравнят обективно стойностите на електроотрицателността на атомите при изчисляване на степента на окисление, през 2013 г. IUPAC препоръча използването на скалата на Алън.
* Така например по скалата на Алън електроотрицателността на азота е 3,066, а на хлора е 2,869.
Нека илюстрираме горното определение с примери. Нека съставим структурна формула на водна молекула.
Ковалентните полярни O-H връзки са показани в синьо.
Представете си, че и двете връзки не са ковалентни, а йонни. Ако бяха йонни, тогава един електрон щеше да премине от всеки водороден атом към по-електроотрицателния кислороден атом. Ние обозначаваме тези преходи със сини стрелки.
*В товаНапример, стрелката служи за илюстриране на пълния трансфер на електрони, а не за илюстриране на индуктивния ефект.
Лесно се вижда, че броят на стрелките показва броя на прехвърлените електрони, а посоката им - посоката на пренос на електрони.
Две стрелки са насочени към кислородния атом, което означава, че два електрона преминават към кислородния атом: 0 + (-2) = -2. Кислородният атом има заряд -2. Това е степента на окисление на кислорода във водната молекула.
Един електрон напуска всеки водороден атом: 0 - (-1) = +1. Това означава, че водородните атоми имат степен на окисление +1.
Сумата от степените на окисление винаги е равна на общия заряд на частицата.
Например, сумата от степени на окисление в една водна молекула е: +1(2) + (-2) = 0. Молекулата е електрически неутрална частица.
Ако изчислим степени на окисление в йон, тогава сумата от степените на окисление съответно е равна на неговия заряд.
Стойността на степента на окисление обикновено се посочва в горния десен ъгъл на символа на елемента. Освен това, знакът се изписва пред номера. Ако знакът е след числото, това е зарядът на йона.
Например S -2 е серен атом в степен на окисление -2, S 2- е серен анион със заряд -2.
S +6 O -2 4 2- - стойностите на степента на окисление на атомите в сулфатния анион (зарядът на йона е подчертан в зелено).
Сега разгледайте случая, когато съединението има смесени връзки: Na 2 SO 4 . Връзката между сулфатния анион и натриевите катиони е йонна, връзките между серния атом и кислородните атоми в сулфатния йон са ковалентни полярни. Записваме графичната формула за натриев сулфат, а стрелките показват посоката на преход на електрони.
*Структурната формула отразява реда на ковалентните връзки в една частица (молекула, йон, радикал). Структурните формули се използват само за частици с ковалентни връзки. За частици с йонни връзки понятието структурна формула е безсмислено. Ако в частицата има йонни връзки, тогава се използва графичната формула.
Виждаме, че шест електрона напускат централния серен атом, което означава, че степента на окисление на сярата е 0 - (-6) = +6.
Крайните кислородни атоми приемат по два електрона, което означава, че степента им на окисление е 0 + (-2) = -2
Мостовите кислородни атоми приемат по два електрона всеки, степента им на окисление е -2.
Също така е възможно да се определи степента на окисление чрез структурно-графичната формула, където тиретата показват ковалентни връзки, а йоните показват заряда.
В тази формула свързващите кислородни атоми вече имат единични отрицателни заряди и допълнителен електрон идва към тях от серния атом -1 + (-1) = -2, което означава, че техните степени на окисление са -2.
Степента на окисление на натриевите йони е равна на техния заряд, т.е. +1.
Нека определим степента на окисление на елементите в калиев супероксид (супероксид). За да направите това, ще съставим графична формула за калиев супероксид, ще покажем преразпределението на електроните със стрелка. O-O връзката е ковалентна неполярна, така че преразпределението на електроните не е посочено в нея.
* Супероксидният анион е радикален йон. Формалният заряд на един кислороден атом е -1, а другият, с несдвоен електрон, е 0.
Виждаме, че степента на окисление на калия е +1. Степента на окисление на кислородния атом, написана във формулата срещу калия, е -1. Степента на окисление на втория кислороден атом е 0.
По същия начин е възможно да се определи степента на окисление чрез структурно-графичната формула.
Кръговете показват формалните заряди на калиевия йон и един от кислородните атоми. В този случай стойностите на формалните заряди съвпадат със стойностите на степента на окисление.
Тъй като и двата кислородни атома в супероксидния анион имат различни степени на окисление, можем да изчислим средно аритметично състояние на окислениекислород.
Тя ще бъде равна на / 2 \u003d - 1/2 \u003d -0,5.
Стойностите на средните аритметични степени на окисление обикновено се посочват в брутни формули или формулни единици, за да се покаже, че сумата от степени на окисление е равна на общия заряд на системата.
За случая със супероксид: +1 + 2(-0,5) = 0
Лесно е да се определят степените на окисление, като се използват формули за електронна точка, в които несподелените електронни двойки и електроните на ковалентните връзки са обозначени с точки.
Кислородът е елемент от групата VIA, следователно в неговия атом има 6 валентни електрона. Представете си, че връзките във водната молекула са йонни, в който случай кислородният атом би получил октет електрони.
Степента на окисление на кислорода е съответно равна на: 6 - 8 \u003d -2.
И водородни атоми: 1 - 0 = +1
Способността да се определи степента на окисление с помощта на графични формули е безценна за разбирането на същността на тази концепция, тъй като това умение ще се изисква в хода на органичната химия. Ако имаме работа с неорганични вещества, тогава е необходимо да можем да определим степента на окисление чрез молекулни формули и формулни единици.
За да направите това, на първо място, трябва да разберете, че степента на окисление е постоянна и променлива. Елементите, които показват постоянно състояние на окисление, трябва да бъдат запомнени.
Всеки химичен елемент се характеризира с по-високи и по-ниски степени на окисление.
Най-ниска степен на окислениее зарядът, който атомът придобива в резултат на получаване на максимален брой електрони върху външния електронен слой.
С оглед на това, най-ниската степен на окисление е отрицателна,с изключение на металите, чиито атоми никога не приемат електрони поради ниските стойности на електроотрицателност. Металите имат най-ниска степен на окисление от 0.
Повечето неметали от основните подгрупи се опитват да запълнят външния си електронен слой с до осем електрона, след което атомът придобива стабилна конфигурация ( октетно правило). Следователно, за да се определи най-ниската степен на окисление, е необходимо да се разбере колко валентни електрона липсват на един атом до октет.
Например, азотът е елемент от групата VA, което означава, че има пет валентни електрона в азотния атом. Азотният атом е с три електрона по-малко от един октет. Така че най-ниската степен на окисление на азота е: 0 + (-3) = -3