Степень (состояние) окисления элемента

Пользуясь представлением об электроотрицательности элементов, можно дать оценку т.н. степени окисления элемента в соединении.

Под степенью окисления[1] понимают условный заряд атома элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединение состоит из ионов и валентные электроны оттянуты к наиболее электроотрицательному атому. Степень окисления может быть положительной, отрицательной, нулевой, дробной и обозначается арабской цифрой со знаком «+» или «–» перед ней, например,

Са⁺²О^–2; Аl⁺³Сl₃^–1; Сl₂⁰; Н₂⁺¹О₂^–1. 2)

Для обозначения степени окисления элемента без написания формулы пользуются римскими цифрами в скобках после символа элемента, например: Fe (II), Au (III), S (IV).

Большинство элементов имеет непостоянную степень окисления. При определении степени окисления атомов элементов в соединениях руководствуются следующими правилами:

1) алгебраическая сумма степеней окисления в молекулах равна нулю, в ионах – заряду иона;

2) в простых веществах (Н₂, О₂ …) степень окисления элемента всегда равна нулю;

3) постоянную степень окисления имеют щелочные и щелочноземельные металлы (+1 и +2) и фтор (‑1);

4) для водорода в большинстве соединений характерна степень окисления +1, в гидридах (NaH, CaH₂ …) -1;

5) степень окисления кислорода, как правило, равна –2, в пероксидах (-О-О-) –1;

6) в бинарных соединениях неметаллов с полярными ковалентными связями отрицательная степень окисления приписывается более электроотрицательному атому, например,

О⁺²F₂^–1; I⁺¹Cl^–1; H⁺¹I^–1

Учитывая вышеизложенное, зная формулу соединения, для элементов с непостоянной степенью окисления всегда можно подсчитать её значение:

N^–3Н₃; N₂^–2H₄; N^–1H₂OH; КN⁺³О₂; КN⁺⁵O₃; КО₂^–1/2.

Степени окисления закономерно изменяются при переходе от одного элемента к другому в периодической системе. Высшая степень окисления обычно равна номеру группы, таким образом, в периодах высшая степень окисления растет. Исключение составляет фтор, кислород, гелий, неон, аргон, железо, кобальт, никель, элементы подгруппы меди.

Понятие степени окисления является формальным и не отвечает реальному, так называемому эффективному заряду атомов (табл.1.2).

Во многих случаях значение степени окисления элемента не совпадает и с числом образуемых им связей (валентностью). Например, для углерода в соединениях СН₄; СН₃ОН; СН₂О; НСООН; СО₂ степени окисления равны соответственно –4, –2, 0, +2, +4, в то время как его валентность во всех этих случаях равна четырем.

Несмотря на некоторую условность, степень окисления полезное понятие, которым пользуются не только при написании окислительно-восстановительных реакций, но и при составлении формул соединений и их классификации.

Таблица 1.2

Степени окисления и эффективные заряды некоторых ионов

 

Вещество	Атом	Степень окисления	Эфф. заряд, q
HCl	Cl	-1 (I)	-0,2
NaCl	Na	+1 (I)	+0,98
NaBr	Na	+1 (I)	+0,83
CrCl2	Cr	+2 (II)	+1,9
CrCl3	Cr	+3 (III)	+1,2
K2CrO4	Cr	+6 (VI)	+0,2

Вопросы для самопроверки

1. Квантовые числа электронов. Какие значения они могут принимать и какие параметры электрона характеризуют? Чем определяется и чему равно максимально возможное число электронов на s-, p-, d- и f- подуровнях

2. Правила заполнения электронами атомных орбиталей.

Принцип минимальной энергии. Правило Гунда. Принцип Паули.

3 Какие устойчивые электронные конфигурации вызнаете? Какие орбитали в многоэлектронных атомах имеют близкие энергии?

4 Дайте понятие «эффекта проникновения» и «эффекта экранирования». Почему и как отличаются между собой эффекты проникновения к ядру s -, p-, d-, f - электронов. Как с помощью электронной конфигурации атомов и указанных свойств объяснить химическую стойкость золота Au?

5 Какие элементы называют s -, p-, d-, f - элементами? Их положение в периоде и группе. Где расположены вален-тные электроны? Какие орбитали являются валентными?

6 Запишите электронные формулы следующих атомов и ионов:

₁₁Na и Na⁺; ₁₇Cl и Cl^- ; ₂₅Mn и Mn²⁺ ; ₂₄Cr³⁺, ₂₇Co²⁺; ₆₅Tb, Tb³⁺ и Tb⁴⁺.

Обоснуйте проявление атомом тербия степени окисления +4. Какие ещё так называемые аномальные степени окисления возможны у лантаноидов?

7 Как изменяются атомные радиусы в периоде, в глав-ных и побочных подгруппах?

f-Сжатие. Какое влияние оно оказывает на радиусы и свойства элементов (электронных аналогов) 5 и 6 периодов.

8 Что называется энергией ионизации? Как изменется энергия ионизации в периоде, главных и побочных подгруппах? Какие свойства элемента определяются энергией ионизации?

9 К какой группе будет принадлежать р -элемент, если его последовательные энергии ионизации J_{1, 2, 3…} имеют следующие значения 11,2; 24,4; 47,9; 64,5; 392,0 489,0 (эВ)?

10 Сродство к электрону. Факторы, влияющие на сродство к электрону.

11 Дайте определение электроотрицательности. Почему

фтор имеет наибольшую электроотрицательность?