§ 15. Валентность и степень окисления

Степень окисления

В случае веществ с ионными или полярными связями для характеристики состояния атомов, образующих эти связи, используют понятие степень окисления. Как вы уже знаете из материала параграфа § 11, степень окисления атома — это условный заряд, который приписывают атому в предположении, что он образует с соседними атомами только ионные связи.

Численное значение степени окисления атома в конкретном соединении определяют по количеству электронов, смещённых при образовании связи или переданных соседним атомам. Так, cтепень окисления атомов азота в молекулах простого вещества img равна 0 (электроны не смещены, связь ковалентная неполярная). В молекуле аммиака азот проявляет степень окисления –3, так как к атому азота сместились три электрона от атомов водорода. Атомы водорода при этом имеют степень окисления +1.

При вычислениях учитывают, что алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в соединении равна 0.

Не следует забывать, что атомы некоторых элементов имеют постоянное значение степени окисления в своих соединениях («math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»F«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Na«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Zn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Al«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»3«/mn»«/mrow»«/mover»«/math» и др.). Наиболее электроотрицательные атомы в конкретном соединении обычно имеют низшую степень окисления.

Так, в молекуле CF4 более электроотрицателен фтор, его атомы имеют степень окисления –1. Следовательно, углерод находится в степени окисления +4, то есть «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mover»«mrow/»«mo»+«/mo»«/mover»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»C«/mi»«mn»4«/mn»«/mover»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»F«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»4«/mn»«/msub»«/math».

В перманганате калия KMnO4 калий имеет постоянную степень окисления, кислород как наиболее электроотрицательный элемент находится в низшей степени окисления –2, поэтому степень окисления марганца можно найти из равенства 0 = (+1) + х + 4(–2), то есть «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»7«/mn»«/mrow»«/mover»«mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«/math».

Во многих ковалентных соединениях абсолютная величина степени окисления элементов равна их валентности. Например, азот в молекуле аммиака имеет валентность 3 и степень окисления –3. В случае ионных соединений атомов металлов с р-элементами V–VII-групп используют понятие «степень окисления». Например, в хлориде кальция СаCl2 степень окисления хлора –1, а кальция — +2.

Валентность может отличаться от степени окисления. Это характерно, например, для простых веществ, в молекулах которых степень окисления атомов всегда равна нулю, а валентность — числу общих электронных пар.

Так, в молекуле кислорода «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»=«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math» валентность кислорода равна 2, а степень окисления 0. В качестве другого примера приведём молекулу пероксида водорода «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mo»-«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»-«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»-«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«/math». В ней кислород двухвалентен, а водород одновалентен. В то же время степени окисления обоих элементов по абсолютной величине равны 1: «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«/math». Не совпадают значения степени окисления и валентности азота в ионе аммония (–3, 4) img молекуле азотной кислоты (+5, 4) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»5«/mn»«/mrow»«/mover»«mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«/math».

Степень окисления атомов определяет характер возможных химических взаимодействий с участием этих атомов. Так, элемент в низшей степени окисления (в данном случае азот в степени окисления –3) может выступать только как восстановитель:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»4«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»3«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mover»«mrow»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mn»0«/mn»«/mover»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»6«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo».«/mo»«/math»

Элемент в высшей степени окисления (азот, +5) может быть только окислителем:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»8«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»5«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«mi»Cu«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«mi»Cu«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»NO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mrow»«msub»«mo»)«/mo»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo».«/mo»«/math»

В промежуточной степени окисления элемент (азот, +2) может быть как окислителем, так и восстановителем:

   «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»4«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/math» (азот — восстановитель, окисляется);

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mrow»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mn»0«/mn»«/mover»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math» (азот — окислитель, восстанавливается).

Высшая степень окисления атомов А-групп равна номеру группы (за исключением благородных газов, фтора и кислорода). Низшая, отрицательная, степень окисления равна номеру А-группы минус 8.