Степень окисления металлов которые они проявляют в своих соединениях

Обновлено: 05.07.2024

Перед тем как начать писать окислительно-восстановительные реакции, необходимо знать какие степени окисления может проявлять тот или иной химический элемент. Рассмотрим степени окисления, знание которых необходимо для успешной сдачи ЕГЭ.

Элементы с постоянными степенями окисления в сложных соединениях:

Степень окисления	Элементы	Примеры соединений	Названия соединений
-1	F	NaF OF2	Фторид натрия Фторид кислорода
+1	Все металлы 1-ой группы главной подгруппы (Li-Fr)	Na2O KH	Оксид натрия Гирид калия
+2	Все металлы 2-ой группы главной подгруппы (Be-Ra), а также Zn и Cd	BeO CaH2	Оксид бериллия Гидрид кальция
+3	Al	Al2O3 Al(OH)3 Al2(SO4)3	Оксид алюминия Гидроксид алюминия Сульфат алюминия

Элементы с переменными степенями окисления:

1. Водород

Степень окисления	Примеры соединений	Названия соединений	Комментарий
0	H2	Водород (простое вещество)	В твердом состоянии, как и все газы, образует молекулярную кристаллическую решетку
+1	H2O H2O2 H2SO4 KOH NaHSO3	Вода Пероксид водорода Серная кислота Гидроксид калия Гидросульфит натрия	В таких соединениях, как вода, пероксид водорода, все кислоты, основания, кислые соли, все органические соединения
-1	NaH CaH2	Гидрид натрия Гидрид кальция	Только с металлами водород может проявлять степень окисления -1

2. Кислород

Положительные степени окисления кислород проявляет только в соединениях с фтором

3. Сера

Степень окисления	Примеры соединений	Названия соединений	Комментарий
0	S8	Сера	Светло-желтый порошок; нерастворим в воде, тяжелее её, но в воде не тонет, плавает на её поверхности, так как ею не смачивается. Молекулы S8 образуют молекулярную кристаллическую решетку. Сера существует в виде нескольких аллотропных модификаций: ромбическая, моноклинная, пластическая.
-2	H2S CaS	Сероводородная кислота Сульфид кальция	Все сульфиды
-1	FeS2	Персульфид железа (II) (пирит, серный колчедан, железный колчедан)	Единственное соединение со ст. ок. -1
+4	SO2 H2SO3 CaSO3	Оксид серы (IV) Сернистая кислота Сульфит кальция	В таких соединениях как оксид серы (IV), сернистой кислоте и всех её солях
+6	SO3 H2SO4 CaSO4	Оксид серы (VI) Серная кислота Сульфат кальция	В таких соединениях как оксид серы (VI), серной кислоте и всех её солях

4. Азот

Степень окисления	Примеры соединений	Названия соединений	Комментарий
0	N2	Азот (простое вещество)	В твердом состоянии, как и все газы, образует молекулярную кристаллическую решетку
-3	NH3 Na3N Ca3N2	Аммиак Нитрид натрия Нитрид кальция	В таких соединениях, как аммиак и все нитриды
-2	N2H4	Гидразин	Степени окисления -2 и -1 встречаются только в органических соединениях
-1	NH2OH	Гидроксиламин
+1	N2O	Оксид азота (I)	Азот проявляет положительные степени окисления только в соединениях с кислородом и фтором
+2	NO	Оксид азота (II)
+3	N2O3 HNO2 NF3	Оксид азота (III) Азотистая кислота Фторид азота (III)	В таких соединениях, как оксид азота (III), азотистой кислоте и всех её солях, фториде азота (III)
+4	NO2	Оксид азота (IV)	Смешанный оксид азота (IV)
+5	N2O5 HNO3	Оксид азота (V) Азотная кислота	В таких соединениях, как оксид азота (V), азотной кислоте и всех её солях

5. Галогены*

* Для фтора только 0 и -1; At также является галогеном, но его не рассматриваем, так как в природе его практически нет.

6. Углерод**

Степень окисления	Примеры соединений	Названия соединений	Комментарий
0	C	Углерод	Аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин (черный порошок, полимерные цепи -CC-, =С=С=), фуллерены (темные, похожие на сажу, C60-C200)
+2	CO	Оксид углерода (II) (угарный газ)	В таких соединениях как CO, а также в некоторых органических соединениях
+4	CO2

** В органических соединениях углерод проявляет все степени окисления от -4 (например, CH4) до +3 (например, CH3COOH).

Степень окисления элемента

В химии степень окисления элементов говорит о том, как проходят окислительно-восстановительные реакции, а точнее — как при этом атомы перераспределяют между собой электроны. Это не очень сложная тема, но в ней часто бывает путаница. Разберемся, как считать степень окисления в разных соединениях.

О чем эта статья:

Что такое степень окисления

Для начала давайте вспомним, как проходят химические связи в молекуле вещества. Взаимодействуя между собой, атомы могут притягивать или отдавать электроны для образования общей электронной пары. Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) притягивает электроны и приобретает отрицательный заряд, а атом с меньшей ЭО, напротив, отдает электроны и обретает положительный заряд.

Степень окисления — это условный заряд, который предположительно обретет атом после перемещения электронов. Он вычисляется из предположения, что все свободные электроны полностью перемещаются от одного атома к другому и все образованные связи — ионные.

Почему в определении степени окисления мы говорим об условном заряде? Потому что в реальности он может быть другим, а химические связи атома в соединении не обязательно будут ионными. Но мы предполагаем, что все именно так, чтобы немного упростить расчеты. Это помогает в составлении формул и классификаций.

Запомните:

Численно степень окисления равна количеству электронов, которые перешли от одного атома к другому.

У атома с меньшей ЭО, который отдает электроны, — положительная степень окисления.

У атома с большей ЭО, который притягивает электроны, — отрицательная степень окисления.

Простые вещества, такие как Cl₂, O₂ и т. д., имеют степень окисления, равную 0, поскольку смещения электронов в данном случае не происходит.

Как рассчитать степень окисления

Как мы уже выяснили выше, определить степень окисления элемента (иначе говоря, окислительное число) помогает электроотрицательность. Значения ЭО легко узнать, пользуясь таблицей Менделеева или шкалой относительной электроотрицательности. Сравните, у какого химического элемента в соединении ЭО выше — этот элемент будет притягивать электроны и приобретет отрицательный заряд.

Шкала относительной электроотрицательности

В нейтральной молекуле все окислительные числа в сумме образуют ноль. В ионе их сумма равна заряду иона.

Это правило поможет составить уравнение и посчитать степень окисления любого химического элемента в соединении, если известны данные по остальным элементам. Еще больше облегчат расчеты следующие закономерности:

у водорода в гидридах окислительное число −1, а во всех остальных веществах оно равно +1;

у кислорода степень окисления в оксидах равна −2, в пероксидах −1, в соединениях с фтором +2;

у неметаллов в соединениях с водородом и металлами окислительное число всегда отрицательное;

у металлов степень окисления всегда положительная.

Также есть элементы, которые во всех соединениях отдают или принимают одинаковое количество электронов, поэтому их окислительное число — постоянная величина.

Алгоритм действий

Итак, мы знаем основные закономерности. Давайте разберемся, как находить степени окисления на примерах. Предлагаем следующий алгоритм действий.

Посмотрите, является ли вещество элементарным. Если да — значит, оно находится в химически несвязанном состоянии и окислительное число равно 0. Это правило подходит как для веществ, образованных из отдельных атомов, так и для тех, что включают многоатомные молекулы одного и того же элемента.

Пример

Степень окисления Cl₂, S₈ равна 0.

Если это соединение, определите, состоит ли оно из ионов. В многоатомном ионе сумма всех степеней окисления равна его заряду. Узнайте эту сумму из таблицы растворимости и составьте уравнение с известными окислительными числами.

Допустим, нужно определить заряд азота в ионе аммония.

Согласно таблице растворимости заряд иона аммония NH₄ + равен +1. Это значит, что сумма степеней окисления в этом соединении тоже будет равна +1.

Также известно, что водород всюду, кроме гидридов, имеет заряд +1. В данном случае есть 4 атома водорода, т. е. +1 × 4.

Составим формулу: х + (+1) × 4 = +1. Значит х = −3.

Окислительное число азота в ионе аммония равно −3, т. е. N -3 H₄ +1 .

Если соединение — нейтральная молекула, составьте уравнение, учитывая, что все окислительные числа в сумме равны 0.

Допустим, нужно определить степень окисления серы в соединении Na₂SO₄.

Мы знаем, что у щелочного металла Na постоянное окислительное число +1. Кислород, согласно вышеизложенным правилам, в оксидах имеет заряд −2.

Составим уравнение: (+1) × 2 + х + (−2) × 4 = 0. Значит х = −6.

Степень окисления серы равна −6, т. е. Na₂ +1 S -6 O₄ -2 .

Как узнать степень окисления нескольких элементов

А как быть, если неизвестны окислительные числа двух и более элементов в соединении? В математике уравнения с двумя неизвестными не всегда имеют решение. Но в химии есть выход: можно разделить химическую формулу на несколько частей, которые имеют постоянные заряды.

Как вычислить степень окисления в сложном веществе (NH₄)₂SO₄? Посмотрим на него как на соединение двух ионов с известными зарядами: NH₄ + и SO₄ 2- .

Поскольку мы знаем окислительные числа водорода и кислорода, найти заряды азота и серы в каждом ионе не составит труда.

В ионе NH₄ + формула для определения заряда азота будет следующей: х + (+1) × 4 = 1. Понятно, что х = −3, т. е. степень окисления азота −3.

В ионе SO₄ 2- формула для серы х + (−2) × 4 = −2. Следовательно, х = 6, т. е. заряд серы равен +6.

Получаем следующие окислительные числа: (N -3 H₄ +1 )₂S +6 O₄ -2 .

Как определить высшую и низшую степень окисления

Выделяют высшую (или максимально положительную) и низшую (максимально отрицательную) степени окисления. В диапазоне между ними располагаются окислительные числа, которые могут принадлежать данному химическому элементу в различных соединениях. Для четных групп характерны четные числа в диапазоне, а для нечетных групп — нечетные.

Высшая степень окисления совпадает с номером группы элемента (для элементов в главной подгруппе) в короткой форме периодической системы.

Низшая степень окисления равна числу, которое получится, если от номера группы элемента отнять 8.

Исключения: фтор, железо, кобальт, родий, подгруппа никеля, кислород, благородные газы (помимо ксенона).

Проиллюстрируем на примере, как найти высшую и низшую степень окисления.

По степени окисления можно понять, как поведет себя вещество в окислительно-восстановительных реакциях. Если в соединении главный действующий элемент имеет высшую степень окисления, оно является окислителем, а если он имеет низшую степень окисления — восстановителем.

Например, серная кислота является окислителем, поскольку у серы в данном случае заряд +6. А вот в сернистой кислоте у серы заряд всего +4, поэтому она может проявлять и окислительную способность, и восстановительную. В сероводороде заряд серы равен −2, и это минимальная степень окисления, а значит, данное вещество — восстановитель.

Как найти степень окисления в органическом соединении

В органической химии определять окислительные числа элементов немного сложнее, поскольку все органические вещества включают углерод, известный большим количеством неполярных связей. Если у нас всего один атом углерода, можно использовать стандартный способ.

Рассчитайте степень окисления углерода в метаноле H₃C−OH.

Мы знаем, что водород Н имеет окислительное число +1, а у кислорода в данном случае оно равно −2. Составим уравнение:

х + (+1) × 4 + (+2) × 1 = 0

Заряд углерода равен −2, т. е. C -2 H₄ +1 O -2 .

Но что делать, если атомов углерода больше? Придется анализировать структурную формулу, чтобы понять, какие химические связи есть между элементами и сколько электронов они теряют/приобретают в результате. Такой вариант нахождения окислительного числа называют графическим.

Графический метод

Нарисуйте структурную формулу соединения.

Изобразите стрелками химические связи и смещение атомов (все связи между атомами углерода С−С считайте неполярными).

Посчитайте, сколько стрелок ведет к атому (это «−») и сколько от него (это «+»), а затем суммируйте «+» и «−», чтобы узнать степень окисления.

Валентность и степень окисления: в чем разница?

Школьники, которые только начали изучать данные разделы химии, нередко путают степень окисления и валентность. Численно эти показатели могут совпадать (но далеко не всегда), а вот по смыслу они в корне различаются.

Валентность показывает, какое количество связей способен образовать один атом, а степень окисления — сколько электронов перемещается в результате этих связей.

Между этими двумя понятиями есть следующие отличия:

валентность не имеет знака, в то время как у окислительного числа он есть («+» или «−»);

валентность равна нулю только в том случае, если атом не имеет связей с другими частицами, а степень окисления может быть равна нулю и при наличии таких связей;

вычисляя степень окисления, мы предполагаем, что в соединении ионные связи, хотя на самым деле это может быть не так, а валентность всегда имеет реальный смысл.

Поэтому отождествлять эти два понятия ни в коем случае не стоит. Более того, не нужно ориентироваться на валентность, пытаясь определить окислительное число.

Таблица окисления химических элементов

Чтобы определить условный заряд атомов в окислительно-восстановительных реакциях, используют таблицу окисления химических элементов. В зависимости от свойств атома элемент может проявлять положительную или отрицательную степень окисления.

Условный заряд атомов элементов в сложных веществах называется степенью окисления. Значение заряда атомов записывается в окислительно-восстановительных реакциях, чтобы понять, какой элемент является восстановителем, а какой – окислителем.

Степень окисления взаимосвязана с электроотрицательностью, которая показывает возможность атомов принимать или отдавать электроны. Чем выше значение электроотрицательности, тем больше способность атома отнимать электроны в реакциях.

Рис. 1. Ряд электроотрицательности.

Степень окисления может иметь три значения:

нулевое – атом находится в состоянии покоя (все простые вещества имеют степень окисления 0);
положительное – атом отдаёт электроны и является восстановителем (все металлы, некоторые неметаллы);
отрицательное – атом принимает электроны и является окислителем (большинство неметаллов).

Например, степени окисления в реакции натрия с хлором выглядят следующим образом:

В реакции металлов с неметаллами металл всегда является восстановителем, а неметалл – окислителем.

Как определить

Существует таблица, в которой указаны все возможные степени окисления элементов.

Название

Символ

Степень окисления

-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5

+2, +3, редко +4 и +6

-1, +1, +5, редко +3, +4

+3, +6, редко +2, +3, +5

+6, редко +2, +3, +4, +5

+3, +4, +6, +8, редко +2

+3, +4, +6, редко +1, +2

+2, +4, +6, редко +1, +3

+3, редко +3, +2, +4, +5

Или использовать на уроках этот вариант таблицы.

Рис. 2. Таблица степеней окисления.

Кроме того, степени окисления химических элементов можно определить по периодической таблице Менделеева:

высшая степень (максимально положительная) совпадает с номером группы;
для определения минимального значения степени окисления из номера группы вычитается восемь.

Рис. 3. Таблица Менделеева.

Большинство неметаллов имеют положительную и отрицательную степени окисления. Например, кремний находится в IV группе, значит, его максимальная степень окисления +4, а минимальная -4. В соединениях неметаллов (SO₃, CO₂, SiC) окислителем является неметалл с отрицательной степенью окисления или с большим значением электроотрицательности. Например, в соединении PCl₃ фосфор имеет степень окисления +3, хлор -1. Электроотрицательность фосфора – 2,19, хлора – 3,16.

Второе правило не работает для щелочных и щелочноземельных металлов, которые всегда имеют одну положительную степень окисления, равную номеру группы. Исключения составляют магний и бериллий (+1, +2). Также постоянную степень окисления имеют:

алюминий (+3);
цинк (+2);
кадмий (+2).

Остальные металлы имеют непостоянную степень окисления. В большинстве реакций выступают в качестве восстановителя. В редких случаях могут быть окислителями с отрицательной степенью окисления.

Фтор – самый мощный окислитель. Его степень окисления всегда -1.

Что мы узнали?

Из урока 8 класса узнали о степени окисления. Это условная величина, показывающая, сколько электронов может отдать или принять атом в ходе химической реакции. Значение связано с электроотрицательностью. Окислители принимают электроны и имеют отрицательную степень окисления, восстановители отдают электроны и проявляют положительную степень окисления. Большинство металлов – восстановители с постоянной или переменной степенью окисления. Неметаллы могут проявлять свойства окислителя и восстановителя в зависимости от вещества, с которым реагируют.

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:

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 H₂ −1 , Na +1 H −1 ;
кислород всегда имеет степень окисления -2, кроме фторида кислорода и пероксида – O +2 F₂ −1 , H₂ +1 O₂ −1 .

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.

Читайте также: