Как определить степень окисления атома химического элемента

Формальный заряд атома в соединениях — вспомогательная величина, обычно ее используют в описаниях свойств элементов в химии. Этот условный электрический заряд и есть степень окисления. Его значение изменяется в результате многих химических процессов. Хотя заряд является формальным, он ярко характеризует свойства и поведение атомов в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР).

Окисление и восстановление

В прошлом химики использовали термин «окисление», чтобы описать взаимодействие кислорода с другими элементами. Название реакций произошло от латинского наименования кислорода - Oxygenium. Позже выяснилось, что другие элементы тоже окисляют. В этом случае они восстанавливаются — присоединяют электроны. Каждый атом при образовании молекулы изменяет строение своей валентной электронной оболочки. В этом случае появляется формальный заряд, величина которого зависит от количества условно отданных или принятых электронов. Для характеристики этой величины ранее применяли английский химический термин "oxidation number", который в переводе означает «окислительное число». При его использовании исходят из допущения, что связывающие электроны в молекулах или ионах принадлежат атому, обладающему более высоким значением электроотрицательности (ЭО). Способность удерживать свои электроны и притягивать их от других атомов хорошо выражена у сильных неметаллов (галогенов, кислорода). Противоположными свойствами обладают сильные металлы (натрий, калий, литий, кальций, другие щелочные и щелочноземельные элементы).

Определение степени окисления

Степенью окисления называют заряд, который атом приобрел бы в том случае, если бы принимающие участие в образовании связи электроны полностью сместились к более электроотрицательному элементу. Есть вещества, не имеющие молекулярного строения (галогениды щелочных металлов и другие соединения). В этих случаях степень окисления совпадает с зарядом иона. Условный или реальный заряд показывает, какой процесс произошел до того, как атомы приобрели свое нынешнее состояние. Положительное значение степени окисления — это общее количество электронов, которые были удалены из атомов. Отрицательное значение степени окисления равно числу приобретенных электронов. По изменению состояния окисления химического элемента судят о том, что происходит с его атомами в ходе реакции (и наоборот). По цвету вещества определяют, какие произошли перемены в состоянии окисления. Соединения хрома, железа и ряда других элементов, в которых они проявляют разную валентность, окрашены неодинаково.

Отрицательное, нулевое и положительное значения степени окисления

Простые вещества образованы химическими элементами с одинаковым значением ЭО. В этом случае связывающие электроны принадлежат всем структурным частицам в равной степени. Следовательно, в простых веществах элементам несвойственно состояние окисления (Н⁰₂, О⁰₂, С⁰). Когда атомы принимают электроны или общее облако смещается в их сторону, заряды принято писать со знаком "минус". Например, F^–1,О^–2, С^–4. Отдавая электроны, атомы приобретают реальный или формальный положительный заряд. В оксиде OF₂ атом кислорода отдает по одному электрону двум атомам фтора и находится в состоянии окисления О⁺². Считают, что в молекуле или многоатомном ионе более электроотрицательные атомы получают все связывающие электроны.

Сера — элемент, проявляющий разные валентность и степени окисления

Химические элементы главных подгрупп зачастую проявляют низшую валентность равную VIII. Например, валентность серы в сероводороде и сульфидах металлов — II. Для элемента характерны промежуточные и высшая валентность в возбужденном состоянии, когда атом отдает один, два, четыре или все шесть электронов и проявляет соответственно валентности I, II, IV, VI. Такие же значения, только со знаком "минус" или "плюс", имеют степени окисления серы:

• в сульфиде фтора отдает один электрон: –1;
• в сероводороде низшее значение: –2;
• в диоксиде промежуточное состояние: +4;
• в триоксиде, серной кислоте и сульфатах: +6.

В своем высшем состоянии окисления сера только принимает электроны, в низшей степени — проявляет сильные восстановительные свойства. Атомы S⁺⁴ могут проявлять в соединениях функции восстановителей или окислителей в зависимости от условий.

Переход электронов в химических реакциях

При образовании кристалла поваренной соли натрий отдает электроны более электроотрицательному хлору. Степени окисления элементов совпадают с зарядами ионов: Na⁺¹Cl^–1. Для молекул, созданных путем обобществления и смещения электронных пар к более электроотрицательному атому, применимы только представления о формальном заряде. Но можно предположить, что все соединения состоят из ионов. Тогда атомы, притягивая электроны, приобретают условный отрицательный заряд, а отдавая, — положительный. В реакциях указывают, какое число электронов смещается. Например, в молекуле диоксида углерода С⁺⁴О^-2₂ указанный в верхнем правом углу индекс при химическом символе углерода отображает количество электронов, удаленных из атома. Для кислорода в этом веществе характерно состояние окисления –2. Соответствующий индекс при химическом знаке О — количество добавленных электронов в атоме.

Как подсчитать степени окисления

Подсчет количества отданных и присоединенных атомами электронов может отнять много времени. Облегчают эту задачу следующие правила:

1. В простых веществах степени окисления равны нулю.
2. Сумма окисления всех атомов или ионов в нейтральном веществе равна нулю.
3. В сложном ионе сумма степеней окисления всех элементов должна соответствовать заряду всей частицы.
4. Более электроотрицательный атом приобретает отрицательное состояние окисления, которое записывают со знаком "минус".
5. Менее электроотрицательные элементы получают положительные степени окисления, их записывают со знаком "плюс".
6. Кислород в основном проявляет степень окисления, равную –2.
7. Для водорода характерное значение: +1, в гидридах металлов встречается: Н–1.
8. Фтор — наиболее электроотрицательный из всех элементов, его состояние окисления всегда равно –4.
9. Для большинства металлов окислительные числа и валентности совпадают.

Степень окисления и валентность

Большинство соединений образуются в результате окислительно-восстановительных процессов. Переход или смещение электронов от одних элементов к другим приводит к изменению их состояния окисления и валентности. Зачастую эти величины совпадают. В качестве синонима к термину «степень окисления» можно использовать словосочетание «электрохимическая валентность». Но есть исключения, например, в ионе аммония азот четырехвалентен. Одновременно атом этого элемента находится в состоянии окисления –3. В органических веществах углерод всегда четырехвалентен, но состояния окисления атома С в метане СН₄, муравьином спирте СН₃ОН и кислоте НСООН имеют другие значения: –4, –2 и +2.

Окислительно-восстановительные реакции

К окислительно-восстановительным относятся многие важнейшие процессы в промышленности, технике, живой и неживой природе: горение, коррозия, брожение, внутриклеточное дыхание, фотосинтез и другие явления.

При составлении уравнений ОВР подбирают коэффициенты, используя метод электронного баланса, в котором оперируют следующими категориями:

• степени окисления;
• восстановитель отдает электроны и окисляется;
• окислитель принимает электроны и восстанавливается;
• число отданных электронов должно быть равно числу присоединенных.

Приобретение электронов атомом приводит к понижению его степени окисления (восстановлению). Утрата атомом одного или нескольких электронов сопровождается повышением окислительного числа элемента в результате реакций. Для ОВР, протекающих между ионами сильных электролитов в водных растворах, чаще используют не электронный баланс, а метод полуреакций.