Вищий ступінь окиснення атомів. Валентність хімічних елементів
Завдання щодо визначення ступеня окислення може виявитися як простою формальністю, так і складною головоломкою. Насамперед це залежатиме від формули хімічної сполуки, а також наявності елементарних знань з хімії та математики.
Знаючи основні правила та алгоритм послідовно-логічних дій, про які йтиметься у цій статті, при вирішенні завдань подібного типу, кожен з легкістю зможе впоратися з цим завданням. А потренувавшись і навчившись визначати ступеня окислення різнопланових хімічних сполук, можна сміливо братися за вирівнювання складних окислювально-відновних реакцій шляхом складання електронного балансу.
Поняття ступеня окиснення
Щоб навчитися визначати ступінь окислення, спочатку необхідно розібратися, що це поняття означає?
- Ступінь окислення застосовують під час запису в окислювально-відновних реакціях, коли відбувається передача електронів від атома до атома.
- Ступінь окиснення фіксує кількість перенесених електронів, позначаючи умовний заряд атома.
- Ступінь окислення та валентність найчастіше тотожні.
Дане позначення пишеться зверху хімічного елемента, у його правому кутку, і є ціле число зі знаком «+» або «-». Нульове значення ступеня окиснення знака несе.
Правила визначення ступеня окиснення
Розглянемо основні канони визначення ступеня окиснення:
- Прості елементарні речовини, тобто ті, що складаються з одного виду атомів, завжди матимуть нульовий ступінь окислення. Наприклад, Na0, H02, P04
- Існує ряд атомів, що мають завжди один, постійний, ступінь окислення. Наведені у таблиці значення краще запам'ятати.
- Як видно, виняток буває лише у водню у поєднанні з металами, де він набуває не властивого йому ступеня окислення «-1».
- Кисень також приймає ступінь окислення «+2» у хімічному з'єднанні з фтором і «-1» у складах перекисів, надперекисів або озонідів, де атоми кисню з'єднані один з одним.
- Іони металів мають кілька значень ступеня окислення (причому лише позитивні), тому її визначають за сусідніми елементами у поєднанні. Наприклад, FeCl3, хлор має ступінь окислення «-1», він має 3 атома, отже множимо -1 на 3, отримуємо «-3». Щоб у сумі ступенів окислення сполуки вийшла «0», залізо повинно мати ступінь окислення «+3». У формулі FeCl2 залізо, відповідно, змінить свій ступінь на «+2».
- Математично підсумовуючи ступеня окислення всіх атомів у формулі (з урахуванням знаків), завжди має виходити нульове значення. Наприклад, у соляній кислоті H+1Cl-1 (+1 і -1 = 0), а в сірчистій кислоті H2+1S+4O3-2(+1 * 2 = +2 у водню,+4 у сірки та -2 * 3 = - 6 у кисню, у сумі +6 і -6 дають 0).
- Ступінь окислення одноатомного іона дорівнюватиме його заряду. Наприклад: Na+, Ca+2.
- Найвищий ступінь окислення, як правило, співвідноситься з номером групи в періодичній системі Д. І. Менделєєва.
Алгоритм дій визначення ступеня окиснення
Порядок знаходження ступеня окислення не складний, але потребує уваги та виконання певних дій.
Завдання: розставити ступеня окиснення у з'єднанні KMnO4
- Перший елемент – калій, що має постійний ступінь окислення «+1».
Для перевірки можна переглянути в періодичну систему, де калій знаходиться в 1 групі елементів. - З двох елементів, кисень, як правило, приймає ступінь окислення «-2».
- Отримуємо таку формулу: К+1MnхO4-2. Залишається визначити ступінь окислення марганцю.
Отже, х – невідомий нам ступінь окислення марганцю. Тепер важливо звернути увагу до кількість атомів у соединении.
Кількість атомів калію – 1, марганцю – 1, кисню – 4.
З урахуванням електронейтральності молекули, коли загальний (сумарний) заряд дорівнює нулю,
1*(+1) + 1*(х) + 4(-2) = 0,
+1+1х+(-8) = 0,
-7+1х = 0,
(при перенесенні міняємо знак)
1х = +7, х = +7
Таким чином, ступінь окислення марганцю у поєднанні дорівнює «+7».
Завдання: розставити ступеня окиснення у поєднанні Fe2O3.
- Кисень, як відомо, має ступінь окислення "-2" і виступає окислювачем. З урахуванням кількості атомів (3), у сумі кисню виходить значення «-6» (-2*3= -6), тобто. множимо ступінь окиснення на кількість атомів.
- Щоб урівноважити формулу та призвести до нуля, 2 атоми заліза матимуть ступінь окислення «+3» (2*+3=+6).
- У сумі отримуємо нуль (-6 та +6 = 0).
Завдання: розставити ступеня окиснення з'єднання Al(NO3)3.
- Атом алюмінію – один і має постійний рівень окислення «+3».
- Атомів кисню у молекулі – 9 (3*3), ступінь окислення кисню, як відомо «-2», отже, помножуючи ці значення, отримуємо «-18».
- Залишилося вирівняти негативні та позитивні значення, визначивши таким чином ступінь окислення азоту. -18 і +3, не вистачає + 15. А з огляду на те, що є 3 атоми азоту, легко визначити його ступінь окислення: 15 ділимо на 3 і отримуємо 5.
- Ступінь окислення азоту «+5», а формула матиме вигляд: Al+3(N+5O-23)3
- Якщо складно в такий спосіб визначати потрібне значення, можна складати і розв'язувати рівняння:
1 * (+3) + 3х + 9 * (-2) = 0.
+3+3х-18=0
3х = 15
х = 5
Отже, ступінь окислення - досить важливе поняття в хімії, що символізує стан атомів у молекулі.
Без знання певних положень чи основ, що дозволяють правильно визначати ступінь окислення, неможливо впоратися із виконанням цього завдання. Отже, висновок один: досконально ознайомитися та вивчити правила знаходження ступеня окислення, чітко та лаконічно представлені у статті, і сміливо рухатися далі нелегким шляхом хімічних премудростей.
Для характеристики стану елементів у сполуках запроваджено поняття ступеня окислення.
ВИЗНАЧЕННЯ
Число електронів, зміщених від атома даного елемента або атома даного елемента в з'єднанні називають ступенем окиснення.
Позитивний ступінь окислення позначає число електронів, що зміщуються від даного атома, а негативний - число електронів, що зміщуються до цього атома.
З цього визначення випливає, що в з'єднаннях з неполярними зв'язками ступінь окислення елементів дорівнює нулю. Прикладами таких сполук можуть бути молекули, що складаються з однакових атомів (N 2 , H 2 , Cl 2 ).
Ступінь окислення металів в елементарному стані дорівнює нулю, тому що розподіл електронної густини в них рівномірно.
У простих іонних сполуках ступінь окислення елементів, що входять до них, дорівнює електричному заряду, оскільки при утворенні цих сполук відбувається практично повний перехід електронів від одного атома до іншого: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F - 1 3 , Zr +4 Br -1 4 .
При визначенні ступеня окислення елементів у з'єднаннях з полярними ковалентними зв'язками порівнюють значення їх електронегативностей. Оскільки при утворенні хімічного зв'язку електрони зміщуються до атомів більш електронегативних елементів, останні мають у сполуках негативний ступінь окислення.
Вищий ступінь окислення
Для елементів, що виявляють у своїх сполуках різні ступені окислення, існують поняття найвищого (максимального позитивного) і нижчого (мінімального негативного) ступенів окислення. Вища ступінь окислення хімічного елемента зазвичай чисельно збігається з номером групи у Періодичній системі Д. І. Менделєєва. Винятки становлять фтор (ступінь окислення дорівнює -1, а елемент розташований у VIIA групі), кисень (ступінь окислення дорівнює +2, а елемент розташований у VIA групі), гелій, неон, аргон (ступінь окислення дорівнює 0, а елементи розташовані у VIII групі), а також елементи підгрупи кобальту та нікелю (ступінь окислення дорівнює +2, а елементи розташовані у VIII групі), для яких вищий ступінь окислення виражається числом, значення якого нижче, ніж номер групи, до якої вони відносяться. У елементів підгрупи міді, навпаки, вищий ступінь окиснення більше одиниці, хоча вони і відносяться до I групи (максимальний позитивний ступінь окиснення міді та срібла дорівнює +2, золота +3).
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
- У сірковододі ступінь окислення сірки дорівнює (-2), а в простій речовині - сірці - 0:
Зміна рівня окислення сірки: -2 → 0, тобто. шостий варіант відповіді.
- У простій речовині - сірці - ступінь окислення сірки дорівнює 0, а в SO 3 - (+6):
Зміна ступеня окиснення сірки: 0 → 6, тобто. четвертий варіант відповіді.
- У сірчистій кислоті ступінь окислення сірки дорівнює (+4), а в простій речовині - сірці - 0:
1×2 +x+ 3×(-2) =0;
Зміна ступеня окиснення сірки: +4 → 0, тобто. Третій варіант відповіді.
ПРИКЛАД 2
Завдання | Валентність III і ступінь окислення (-3) азот виявляє у поєднанні: а) N 2 H 4 ; б) NH 3; в) NH4Cl; г) N 2 O 5 |
Рішення | Для того, щоб дати правильну відповідь на поставлене питання, почергово визначатимемо валентність і ступінь окислення азоту в запропонованих сполуках. а) валентність водню завжди дорівнює I. Загальна кількість одиниць валентності водню дорівнює 4-му (1×4 = 4). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 4/2 = 2, отже, валентність азоту дорівнює II. Цей варіант відповіді неправильний. б) валентність водню завжди дорівнює I. Загальна кількість одиниць валентності водню дорівнює 3-му (1×3 = 3). Розділимо отримане значення число атомів азоту в молекулі: 3/1 = 2, отже, валентність азоту дорівнює III. Ступінь окислення азоту в аміаку дорівнює (-3): Це вірна відповідь. |
Відповідь | Варіант (б) |
Такий предмет шкільної програми, як хімія, викликає численні труднощі у більшості сучасних школярів, мало хто може визначити ступінь окислення в сполуках. Найбільші складнощі у школярів, які вивчають тобто учнів основної школи (8-9 класи). Нерозуміння предмета призводить до виникнення неприязні у школярів до цього предмета.
Педагоги виділяють цілу низку причин такої «нелюбові» учнів середніх і старших класів до хімії: небажання розумітися на складних хімічних термінах, невміння користуватися алгоритмами для розгляду конкретного процесу, проблеми з математичними знаннями. Міністерством освіти РФ було внесено серйозні зміни у зміст предмета. До того ж, "урізали" і кількість годин на викладання хімії. Це негативно позначилося якості знань з предмету, зниження інтересу до вивчення дисципліни.
Які теми курсу хімії даються школярам найважче?
За новою програмою до курсу навчальної дисципліни «Хімія» основної школи включено кілька серйозних тем: періодична таблиця елементів Д. І. Менделєєва, класи неорганічних речовин, іонний обмін. Найважче дається восьмикласникам визначення ступеня окислення оксидів.
Правила розміщення
Насамперед учні повинні знати, що оксиди є складними двоелементними сполуками, до складу яких включено кисень. Обов'язковою умовою приналежності бінарної сполуки до класу оксидів є розташування кисню другою в даній сполукі.
Алгоритм для кислотних оксидів
Спочатку зазначимо, що ступеня чисельні вирази валентності елементів. Кислотні оксиди утворені неметалами або металами з валентністю від чотирьох до семи, другим у таких оксидах обов'язково стоїть кисень.
В оксидах валентність кисню завжди відповідає двом, визначити її можна за періодичною таблицею елементів Д. І. Менделєєва. Такий типовий неметал як кисень, перебуваючи у 6 групі головної підгрупи таблиці Менделєєва, приймає два електрони, щоб повністю завершити свій зовнішній енергетичний рівень. Неметали у сполуках з киснем найчастіше виявляють найвищу валентність, що відповідає номеру самої групи. Ступінь нагадати, що ступінь окислення хімічних елементів це показник, що передбачає позитивне (негативне) число.
Неметал, що стоїть на початку формули, має позитивний ступінь окислення. Неметал кисень в оксидах стабільний, його показник -2. Для того щоб перевірити достовірність розміщення значень у кислотних оксидах, доведеться перемножити всі поставлені вами цифри на індекси у конкретного елемента. Розрахунки вважаються достовірними, якщо сумарний результат всіх плюсів і мінусів поставлених ступенів виходить 0.
Складання двоелементних формул
Ступінь окислення атомів елементів дає шанс створювати та записувати з'єднання з двох елементів. При створенні формули для початку обидва символи прописують поруч, обов'язково другим ставлять кисень. Зверху над кожним із записаних знаків прописують значення ступенів окислення, потім між знайденими числами знаходиться те число, що без будь-якого залишку ділитися на обидві цифри. Даний показник необхідно розділити окремо на числове значення ступеня окислення, отримуючи індекси першого і другого компонентів двоелементного речовини. Вища ступінь окислення дорівнює чисельно значенню вищої валентності типового неметалу, ідентична номеру групи, де стоїть неметал у ПС.
Алгоритм встановлення числових значень в основних оксидах
Подібними сполуками вважаються оксиди типових металів. Вони у всіх сполуках мають показник ступеня окислення трохи більше +1 чи +2. Для того щоб зрозуміти, який буде мати ступінь окислення металу, можна скористатися періодичною системою. У металів основних підгруп першої групи даний параметр завжди постійний, він аналогічний номеру групи, тобто +1.
Метали основної підгрупи другої групи також характеризуються стабільним ступенем окислення у цифровому вираженні +2. Ступені окислення оксидів у сумі з урахуванням їх індексів (числа) повинні давати нуль, оскільки хімічна молекула вважається нейтральною, позбавленою заряду, часткою.
Розстановка ступенів окислення в кисневмісних кислотах
Кислоти є складними речовинами, що складаються з одного або декількох атомів водню, які пов'язані з якимось кислотним залишком. Враховуючи, що ступеня окислення це цифрові показники, їх обчислення знадобляться деякі математичні навички. Такий показник для водню (протону) у кислотах завжди стабільний, становить +1. Далі можна вказати ступінь окислення для негативного іона кисню, вона також стабільна -2.
Тільки після цих процесів, можна обчислювати ступінь окислення у центрального компонента формули. Як конкретний зразок розглянемо визначення ступеня окислення елементів у сірчаній кислоті H2SO4. Враховуючи, що в молекулі цієї складної речовини міститься два протони водню, 4 атоми кисню, отримуємо вираз такого виду +2+X-8=0. Для того щоб у сумі утворювався нуль, сірка матиме ступінь окислення +6
Розташування ступенів окиснення в солях
Солі є складні сполуки, які з іонів металу і однієї чи кількох кислотних залишків. Методика визначення ступенів окислення у кожного зі складових частин у складній солі така ж, як і в кисневмісних кислотах. Враховуючи, що рівень окислення елементів - це цифровий показник, важливо правильно позначити рівень окислення металу.
Якщо метал, що утворює сіль, розташовується в головній підгрупі, його ступінь окислення буде стабільним, відповідає номеру групи, є позитивною величиною. Якщо ж у солі міститься метал подібної підгрупи ПС, який виявляє різні метали можна за кислотним залишком. Після того як встановлена ступінь окислення металу, ставлять (-2), далі обчислюють ступінь окислення центрального елемента, скориставшись хімічним рівнянням.
Як приклад розглянемо визначення ступенів окислення у елементів (середньої солі). NaNO3. Сіль утворена металом головної підгрупи 1 групи, отже, ступінь окислення натрію буде +1. У кисню в нітратах ступінь окиснення становить -2. Для визначення чисельного значення ступеня окиснення становить рівняння +1+X-6=0. Вирішуючи дане рівняння, отримуємо, що X має бути +5, це і є
Основні терміни в ОВР
Для окислювального, і навіть відновлювального процесу є спеціальні терміни, які мають вивчити школярі.
Ступінь окислення атома - це його безпосередня здатність приєднувати до себе (віддавати іншим) електрони від якихось іонів або атомів.
Окислювачем вважають нейтральні атоми або заряджені іони, які під час хімічної реакції приєднують собі електрони.
Відновником стануть незаряджені атоми чи заряджені іони, що у процесі хімічної взаємодії втрачають власні електрони.
Окислення представляється як процедура віддачі електронів.
Відновлення пов'язані з прийняттям додаткових електронів незарядженим атомом чи іоном.
Окисно-відновним процесом характеризується реакція, в ході якої обов'язково змінюється ступінь окислення атома. Це визначення дозволяє зрозуміти, як визначити, чи є реакція ОВР.
Правила розбору ОВР
Користуючись цим алгоритмом, можна розставити коефіцієнти у будь-якій хімічній реакції.
Таблиця. Ступені окиснення хімічних елементів.
Таблиця. Ступені окиснення хімічних елементів.
Ступінь окислення- це умовний заряд атомів хімічного елемента у поєднанні, обчислений з припущення, що це зв'язку мають іонний тип. Ступені окислення можуть мати позитивне, негативне або нульове значення, тому алгебраїчна сума ступенів окислення елементів у молекулі з урахуванням числа їх атомів дорівнює 0, а в іоні – заряду іона.
|
Таблиця: Елементи з постійними ступенями окиснення. |
Таблиця. Ступені окислення хімічних елементів за абеткою.
|
Таблиця. Ступені окиснення хімічних елементів за номером.
|
Оцінка статті:
Як визначити ступінь окиснення? Таблиця Менделєєва дозволяє записувати цю кількісну величину будь-якого хімічного елемента.
Визначення
Для початку спробуємо зрозуміти, що є даний термін. Ступінь окислення по таблиці Менделєєва є кількість електронів, які прийняті чи віддані елементом у процесі хімічної взаємодії. Вона може приймати негативне та позитивне значення.
Зв'язок із таблицею
Як визначається ступінь окиснення? Таблиця Менделєєва складається із восьми груп, розташованих вертикально. У кожній з них є дві підгрупи: головна та побічна. Щоб встановити показники для елементів, необхідно використовувати певні правила.
Інструкція
Як розрахувати ступеня окиснення елементів? Таблиця дозволяє повною мірою впоратися з такою проблемою. Лужні метали, які розташовуються у першій групі (головній підгрупі), ступінь окислення виявляють у сполуках, вона відповідає +, що дорівнює їх вищій валентності. У металів другої групи (підгрупи А) +2 ступінь окиснення.
Таблиця дозволяє визначити цю величину не тільки у елементів, що виявляють металеві властивості, а й у неметалів. Їх максимальна величина буде відповідати найвищій валентності. Наприклад, для сірки вона становитиме +6, для азоту +5. Як обчислюється мінімальна (нижча) цифра? Таблиця відповідає і це питання. Необхідно відняти номер групи з восьми. Наприклад, у кисню вона становитиме -2, у азоту -3.
Для простих речовин, які не вступали в хімічну взаємодію з іншими речовинами, показник вважається рівним нулю.
Спробуємо виявити основні дії щодо розстановки в бінарних сполуках. Як поставити в них рівень окислення? Таблиця Менделєєва допомагає вирішити проблему.
Наприклад візьмемо оксид кальцію СаО. Для кальцію, розташованого в головній підгрупі другої групи, величина буде постійною, рівною +2. У кисню, що має неметалеві властивості, цей показник буде негативною величиною, і він відповідає -2. Щоб перевірити правильність визначення, підсумовуємо отримані цифри. У результаті отримаємо нуль, отже, обчислення правильні.
Визначимо такі показники ще в одному бінарному з'єднанні CuO. Так як мідь розташовується в побічній підгрупі (першій групі), отже, показник, що вивчається, може виявляти різні значення. Тому для визначення необхідно спочатку виявити показник для кисню.
У неметалу, що розташовується наприкінці бінарної формули, ступінь окислення має негативне значення. Так як цей елемент знаходиться в шостій групі, при відніманні з восьми шести отримуємо, що ступінь окислення у кисню відповідає -2. Так як у поєднанні відсутні індекси, отже, показник ступеня окиснення у міді буде позитивним, рівним +2.
Як використовується хімічна таблиця? Ступені окислення елементів у формулах, що складаються з трьох елементів, також обчислюються за певним алгоритмом. Спочатку розставляють ці показники у першого та останнього елемента. Для першого цей показник матиме позитивне значення, відповідатиме валентності. У крайнього елемента, як якого виступає неметал, даний показник має негативне значення, він визначається у вигляді різниці (від восьми віднімають номер групи). При обчисленні ступеня окислення центрального елемента використовують математичне рівняння. При розрахунках враховують індекси, що є у кожного елемента. Сума всіх ступенів окислення повинна дорівнювати нулю.
Приклад визначення у сірчаній кислоті
Формула цієї сполуки має вигляд H 2 SO 4 . У водню ступінь окислення становитиме +1, у кисню вона дорівнює -2. Для визначення ступеня окислення у сірки складемо математичне рівняння: + 1 * 2 + Х + 4 * (-2) = 0. Отримуємо, що ступінь окислення у сірки відповідає +6.
Висновок
З використанням правил можна розставляти коефіцієнти в окислювально-відновних реакціях. Це питання розглядається в курсі хімії дев'ятого класу шкільної програми. Крім того, інформація про ступені окислення дозволяє виконувати завдання ОГЕ та ЄДІ.