Поняття про ступінь окиснення та валентність

 

Окисно-відновними називають реакції, які супроводжуються зміною ступеню окиснення хімічних елементів.

 

Ступенем окиснення називають формальний заряд елемента, розрахований з припущення, що молекула складної речовини складається з іонів, тобто електронна густина повністю зміщена до більш електронегативного елемента.

Ступінь окиснення – поняття умовне і не завжди характеризує достовірний стан атому в хімічних сполуках, тому що більшість сполук не є іонними сполуками.

Ступінь окиснення буває позитивним, позначається числом зі знаком «+», яке показує, скільки електронів віддав би атом цього елементу більш електронегативним елементам, якби його хімічні зв^’язки було розірвано. Негативний ступінь окиснення позначається числом зі знаком “-“ та показує кількість електронів, яку прийняв би атом, якби його зв^’язки біло розірвано.

Нульовий ступінь окиснення може бути у атомів як в хімічних сполуках, так і в простих речовинах.

При розрахунку ступеню окиснення необхідно виходити із наступних положень:

1) в простих речовинах ступінь окиснення завжди приймається рівним нулеві;

2) гідроген в усіх його сполуках має ступінь окиснення +1, окрім сполук з металами – гідридів, де його ступінь окиснення дорівнює -1 (наприклад,

_{-1 -1}

NaH, CaH₂ та інші);

3) флуор в усіх сполуках має ступінь окиснення -1, позитивних ступенів окиснення не має, так як флуор самий електронегативний елемент;

4) оксиген в усіх сполуках має ступінь окиснення -2 , за виключенням флуориду оксигену OF_2, де ступінь окиснення оксигену +2, та пероксидів,

 

_{-1 -1 -1}

де ступінь окиснення оксигену -1 (наприклад, Н₂О₂ , Na₂O₂, СаО₂ та інші);

5) всі s-елементи 1-ої групи мають ступінь окиснення в усіх сполуках +1;

s-елементи 2-ої групи – завжди +2; р-елементи та d-елементи можуть мати різні позитивні ступені окиснення;

6) алюміній в усіх сполуках має ступінь окиснення завжди +3.

7) сума позитивних зарядів в молекулі повинна бути рівною сумі негативних зарядів, так як молекула електронейтральна;

8) загальна сума позитивних і негативних зарядів в іоні повинна дорівнювати заряду іону.

 

Приклади розрахунків ступенів окиснення елементів у складних речовинах:

а) в нейтральній молекулі кислоти HNO₃ ступінь окиснення нітрогену розраховується так: ступінь окиснення атому оксигену -2, атомів оксигену три, тобто сумарний від^’ємний заряд (-2)_*3 = -6 , як наслідок, сумарний позитивний заряд повинен бути рівним +6. У гідрогену ступінь окиснення +1, це означає, що у атома нітрогену ступінь окиснення має бути +5 :

_{+1 +5 -2}

H N O₃

_{+1 x -2}

б) Сіль K₂Cr₂O₇ – у атома калію ступінь окиснення +1, у атома оксигену –2. Для розрахунку ступеню окиснення атома хрому складаємо алгебраїчне рівняння: (+1)_*2 +2х + (-2)_*7 = 0 , х= +6, тобто ступінь окиснення атома хрому +6.

в) Сіль Cr₂(SO₄)₃ . В цьому випадку необхідно згадати, що це сіль сульфатної кислоти і заряд її кислотного залишку дорівнює 2- (H₂SO₄=2H⁺ +SO₄^2- ). Тоді загальна сума зарядів в цьому іоні повинна дорівнювати заряду іона, тобто –2:

_{x -2}

( SO₄)^2- - розрахуємо ступінь окиснення сульфуру: х + (-2)_*4 = -2 , х=+6

Знаючи заряд кислотного залишку та їх кількість можна розрахувати заряд хрому: 2х + (-2)_*3 = 0 , х = +3.

 

Для перевірки вірності розрахунків ступенів окиснення елементів необхідно пам'ятати, що вищий ступінь окиснення елементу, як правило, відповідає номеру групи таблиці Д.І.Менделєєва, у якій знаходиться елемент, так як це відповідає кількості валентних електронів.

Нижчий ступінь окиснення, як правило, відповідає кількості електронів, які може прийняти атом для завершення побудови останнього електронного шару. Максимальна кількість електронів може бути вісім (ns²np⁶ – довершена структура ). Томові найнижчий ступінь окиснення може дорівнювати ( 8 – n ), де n –число електронів на останньому електронному рівні. Від^’ємні ступені окиснення можуть мати р-елементи 4, 5, 6 та 7 груп, які стоять в таблиці елементів вище та правіше діагоналі В – Аt (бор – астат).

Не слід ототожнювати поняття ступінь окиснення та валентність – це різні поняття. Валентність – це здатність атома утворювати певну кількість ковалентних зв^’язків, а ступінь окиснення – це умовний заряд, якого придбав би атом, якби усі хімічні зв’язки були іонними.

Наприклад, в речовинах : СО₂, СН₄, НСОН , СН₃ОН , НСООН, Н₂С₂О₄ карбон утворює чотири ковалентні зв’язки, тобто валентність карбону дорівнює чотирьом в усіх цих речовинах: О=С=О ,

 

H

O

H

O

‌׀

║

׀

║

H

–

С

–

H

;

H

–

С

–

H

;

H

–

С

–

O

–

H

;

H

–

С

–

O

–

H

;

‌׀

׀

H

H

O

O

║

║

H

–

O

–

С

–

С

–

O

–

H

_{+4 –2 -4 +1 +1 0 -2 +1}

А ступінь окиснення карбону тут скрізь різний : СО₂ , СН₄ , НСОН,

_{-2 +1 -2 +1 +1 +2 –2 –2 +1 +1 +3 -2}

СН₃ОН НСОО Н Н₂С₂О₄.