Як визначити ступінь окислення

Співавтором цієї статті є Anne Schmidt, наш постійний співавтор. Постійні співавтори wikiHow працюють у тісній співпраці з нашими редакторами, щоб забезпечити максимальну точність та повноту статей.

Кількість переглядів цієї статті: 656 545.

У хімії терміни «окислення» і «відновлення» означає реакції, у яких атом чи група атомів втрачають чи, відповідно, набувають електрони. Ступінь окислення — це чисельна величина, що приписується одному або кільком атомам, що характеризує кількість перерозподіляються електронів і показує, яким чином ці електрони розподіляються між атомами при реакції. Визначення цієї величини може бути як простою, так і досить складною процедурою, залежно від атомів і молекул, що складаються з них. Більш того, атоми деяких елементів можуть володіти декількома ступенями окиснення. На щастя, визначення ступеня окислення існують нескладні однозначні правила, для впевненого користування якими достатньо знання основ хімії та алгебри.

Визначення ступеня окиснення за законами хімії

• Наприклад, Al_(s) та Cl₂ мають ступінь окислення 0, оскільки обидва перебувають у хімічно незв'язаному елементарному стані.
• Зверніть увагу, що алотропна форма сірки S₈, або октасера, незважаючи на свою нетипову будову, також характеризується нульовим ступенем окиснення.

• Наприклад, ступінь окислення іона Cl - дорівнює -1.
• Ступінь окислення іону Cl у складі хімічної сполуки NaCl також дорівнює -1. Оскільки іон Na, за визначенням, має заряд +1 ми укладаємо, що заряд іона Cl -1, і таким чином ступінь його окислення дорівнює -1.

• Як приклад розглянемо з'єднання, що містить іон алюмінію. Загальний заряд з'єднання AlCl₃ дорівнює нулю. Оскільки нам відомо, що іони Cl - мають заряд -1, і в поєднанні міститься 3 таких іони, для загальної нейтральності речовини, що розглядається, іон Al повинен мати заряд +3. Отже, у разі ступінь окислення алюмінію дорівнює +3.

• Якщо кисень перебуває в елементарному стані (O₂), його ступінь окислення дорівнює 0, як і у разі інших елементарних речовин.
• Якщо кисень входить до складу перекису, Його ступінь окислення дорівнює -1. Перекиси - це група сполук, що містять просту кисень-кисневий зв'язок (тобто аніон перекису O₂ -2). Наприклад, у складі молекули H₂O₂ (перекис водню) кисень має заряд та ступінь окислення -1.
• У поєднанні з фтором кисень має ступінь окислення +2, читайте правило для фтору нижче.

• Наприклад, в H₂O ступінь окислення водню дорівнює +1, оскільки атом кисню має заряд -2 і для загальної нейтральності необхідні два заряди +1. Тим не менш, у складі гідриду натрію ступінь окислення водню вже -1, так як іон Na несе заряд +1 і для загальної електронейтральності заряд атома водню (а тим самим і його ступінь окислення) повинен дорівнювати -1.

Фтор завжди має ступінь окиснення -1. Як було зазначено, ступінь окислення деяких елементів (іони металів, атоми кисню у перекисах тощо) може змінюватися залежно від низки чинників. Ступінь окиснення фтору, однак, незмінно становить -1. Це тим, що цей елемент має найбільшу електронегативність — інакше кажучи, атоми фтору найменш охоче розлучаються з власними електронами і найактивніше притягують чужі електрони. Таким чином, їхній заряд залишається незмінним.

Ступінь окислення хлору

Ступінь окислення (окислювальне число) – це допоміжна умовна величина для запису процесів окислення, відновлення та окислювально-відновних реакцій. Вона вказує на стан окислення окремого атома молекули і є лише зручним методом обліку перенесення електронів. Проте вона є істинним зарядом атома в молекулі.

Ступінь окислення відповідає числу електронів, яке слід приєднати до позитивного іона ( катіону ), щоб відновити його до нейтрального атома, або відібрати від негативного іона ( аніону ), щоб окислити його до нейтрального атома.

Ступінь окислення (на відміну від валентності) може мати нульове, негативне та позитивне значення.

Значення ступеня окиснення записують арабськими цифрами зверху над символом елемента. При зазначенні ступеня окислення першим ставиться знак, та був чисельне значення, а чи не навпаки.

Ступінь окислення (на відміну від валентності) може мати нульове, негативне та позитивне значення: -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, + 6, +7.

Слід пам'ятати, що ступінь окислення є суто умовною величиною, яка не має фізичного сенсу, але характеризує утворення хімічного зв'язку міжатомної взаємодії в молекулі.

Ступінь окислення часом не збігається з валентністю. Наприклад, у молекулі азотної кислоти ступінь окислення центрального атома азоту дорівнює +5, тоді як валентність дорівнює IV.

Ступінь окислення часто не збігається з фактичним числом електронів, які беруть участь у освіті зв'язків.

Ступінь окислення хлору дорівнює -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7.

Як визначити найвищий ступінь окислення? Простий алгоритм для хіміків

Ступінь окислення - одне з найважливіших понять у хімії, що дозволяє передбачати властивості речовин та перебіг хімічних реакцій. Але як її правильно визначити для будь-якого хімічного елемента? Давайте розберемося!

Що таке ступінь окислення та як її визначити?

Ступінь окислення показує, якого умовного заряду набуває атом хімічного елемента в молекулі або іоні. Вона обчислюється з припущення, що це ковалентні зв'язку носять іонний характер.

Чисельно ступінь окислення елемента дорівнює кількості електронів, які він віддав або прийняв при утворенні хімічних зв'язків. Якщо атом віддав електрони, він має позитивний ступінь окислення. Якщо прийняв – негативна.

Щоб знайти ступінь окислення елемента у з'єднанні, потрібно скористатися таким правилом: алгебраїчна сума ступенів окислення всіх атомів дорівнює або нулю (у молекулі), або заряду іона.

Наприклад, визначимо ступінь окиснення азоту в аміаку NH3. Позначимо її як х. Тоді можемо скласти рівняння:

Звідси видно, що x = -3. Значить, ступінь окислення азоту NH3 дорівнює -3.

Елементи з постійним ступенем окиснення

Для деяких елементів ступінь окислення у всіх з'єднаннях залишається постійним. Це важливо знати, оскільки полегшує визначення ступенів окиснення інших елементів.

Ось основні елементи з незмінним ступенем окиснення:

• Водень +1 (але в гідридах металів -1)
• Фтор-1
• Кисень -2 (у пероксидах -1, F2O +2)
• Лужні метали +1
• Метали IIa групи +2
• Метали IIIa групи +3

Знаючи ці значення, ми можемо легко знайти ступеня окислення інших елементів у поєднанні.

Як знайти найвищий ступінь окислення елемента?

Найвищий (максимальний) ступінь окислення елемента зазвичай збігається з номером групи в періодичній системі. Наприклад, марганець входить до 7 групи, відповідно його вищий ступінь окислення +7.

Однак є кілька важливих винятків із цього правила:

• Фтор має найвищий ступінь окислення не +7, а +1
• Кисень не +6, а +2
• У деяких перехідних металів вищий ступінь окислення відрізняється від номера групи

Тому, щоб точно визначити максимальний ступінь окислення, краще подивитися у довіднику чи науковій літературі.

Як розрахувати нижчий рівень окислення елемента?

Якщо найвищий ступінь окислення знаходять за номером групи, то для розрахунку нижчої (мінімальної) існує формула:

Нижча С.О. = номер групи – 8

Давайте визначимо нижчий ступінь окиснення для хлору. Він знаходиться в 7 групі, отже:

Бачимо, що нижча С.О. хлору дорівнює -1. Це підтверджується тим, що у поєднанні з воднем - хлороводні HCl - хлор дійсно має ступінь окислення -1.

Для металів нижчий ступінь окислення завжди дорівнюватиме нулю.

Як знайти ступеня окиснення з двома невідомими?

Іноді у формулі зустрічаються відразу два елементи з невідомими ступенями окиснення. Як бути у такому разі?

Вихід є – потрібно розділити формулу на частини. Розглянемо приклад для сульфату амонію (NH4)2SO4. Тут невідомі ступені окислення азоту та сірки. Але ми можемо уявити цю речовину як суміш двох іонів - NH4+ та SO42-, у кожному з яких лише один елемент з невизначеною С.О.

Спочатку знаходимо С.О. азоту в катіоні амонію.Знаючи, що заряд іона NH4+ дорівнює +1 отримуємо рівняння: x + 4 · (+1) = +1 Звідси, x = -3. Потім знаходимо С.О. сірки в аніоні сульфату. Його заряд -2, відповідно: x + 4 · (-2) = -2 Отримуємо, що x = +6. Таким чином, ступеня окислення елементів (NH4)2SO4 будуть: N-3, S+6

Цей прийом дозволяє знаходити кілька невідомих ступенів окиснення в будь-якій речовині.

Особливості розрахунку для органічних сполук

В органічній хімії існують деякі особливості визначення ступенів окиснення. Головна їх - треба розглядати кожен атом вуглецю в молекулі окремо, а чи не всю молекулу цілком.

Для знаходження ступеня окиснення конкретного атома вуглецю аналізують, з якими іншими атомами він пов'язаний. Зв'язки вуглець-водень призводять до усунення електронної щільності до атома вуглецю. А ось зв'язки з електронегативнішим киснем, навпаки, зміщують щільність до кисню.

Наприклад, у метанолі СН3ОН потрібно окремо розглянути С.О. атома вуглецю в метильній групі -СН3 та гідроксильній групі -OH. Виходячи з аналізу зв'язків, отримаємо ступеня окиснення:

Графічний метод визначення ступеня окиснення

Ще один корисний прийом для органічних сполук – графічний метод. Він полягає в наступному:

1. Зображаємо структурну формулу речовини
2. Позначаємо стрілками усунення електронної щільності при утворенні зв'язків
3. Підраховуємо алгебраїчну суму стрілок у кожного атома вуглецю

Цей метод показує, скільки електронів " дістається " кожному атому вуглецю в молекулі.

Ступінь окислення та валентність - у чому різниця?

Нерідко виникає плутанина між поняттями "ступінь окислення" та "валентність". Але це абсолютно різні речі! Давайте розглянемо їх відмінності:

• Валентність показує реальну кількість зв'язків атома, а ступінь окислення - лише передбачуване перенесення електронів
• У валентності немає знака, а ступінь окислення може бути як позитивним, так і негативним
• Валентність у простих речовинах не дорівнює нулю, а ступінь окислення = 0

Тому не варто плутати чи ототожнювати ці два поняття!

Застосування ступеня окислення практично

Знання ступенів окислення елементів у речовинах дозволяє вирішувати важливі практичні завдання:

• Визначити, чи є речовина окислювачем чи відновником
• Спрогнозувати можливість перебігу окисно-відновних реакцій
• Класифікувати з'єднання та зрозуміти їх властивості

Також за ступенем окиснення можна визначити вищий ступінь окиснення елемента та речовини в цілому. А це ключова характеристика будь-якого з'єднання.

Часті помилки при визначенні ступеня окислення

Незважаючи на простоту, на практиці у хіміків виникає багато труднощів і помилок. Розглянемо найпоширеніші:

• Плутанина ступеня окислення та валентності
• Неправильний розрахунок для органічних сполук
• Забуття про винятки з правил

Щоб уникнути подібних помилок, потрібно добре запам'ятати алгоритм і плутати різні поняття. Тоді визначення ступеня окислення не складе труднощів!

Корисні поради щодо визначення ступеня окислення

Давайте розглянемо кілька корисних порад, які допоможуть вам безпомилково визначати ступеня окиснення хімічних елементів:

• Завжди майте під рукою таблицю елементів із зазначенням групи та підгрупи. Це допоможе швидко знаходити максимальні ступені окислення.
• Запам'ятайте винятки із правил.Особливо це стосується кисню, фтору та деяких перехідних металів.
• Не плутайте поняття "ступінь окислення" та "валентність". Це – різні речі.
• При складанні рівнянь враховуйте заряд іона, якщо розглядаєте іон, а чи не молекулу.
• В органічній хімії розглядайте кожен атом вуглецю окремо.

Типові помилки щодо ступеня окислення

На жаль, навіть досвідчені хіміки нерідко припускаються типових помилок. Давайте розберемося, яких помилок варто уникати:

• Забування, що у пероксидах у кисню ступінь окислення -1, а чи не -2.
• Неправильний розрахунок ступеня окиснення в іонах зі складним складом.
• Визначення загального ступеня окиснення для всіх атомів вуглецю в органічній сполукі, а не кожного атома окремо.
• Плутанина максимального і мінімального ступенів окислення елемента.

Будьте уважні та не повторюйте ці поширені помилки!

Покрокова інструкція визначення ступеня окиснення

Для наочності давайте ще раз перерахуємо всі кроки щодо визначення ступеня окислення:

1. Визначте, чи є сполука молекулою, іоном чи простою речовиною.
2. Запишіть відомі вам ступені окислення елементів.
3. Позначте невідомий ступінь окиснення символом x.
4. Складіть рівняння: сума С.О. = 0 (для молекул) чи заряд іона.
5. Розв'яжіть рівняння і знайдіть значення х.

Дотримуючись цих простих кроків, ви точно визначите будь-який ступінь окислення!

Закріплення досвіду на практиці

Щоб закріпити отримані знання, я рекомендую вам виконати такі вправи:

• Визначте ступені окислення у 10 різних речовинах.
• Потренуйтеся шукати С.О. із двома невідомими.
• Проаналізуйте 5 органічних сполук графічним способом.
• Періодично повторюйте матеріал, щоб не забувати правила.

Лише практика робить майстри! Успіхів вам у оволодінні цим важливим навичкою!