М.А.АХМЕТОВ

Конспект лекцій
по загальної хімії

Продовження. Початок див.№ 8, 12, 13, 20, 23, 25-26, 40/2004

Розділ 5.
Окисно-відновні
реакції

5.1. Визначення ступеня окиснення

Окисно-відновними називають реакції, що супроводжуються переходом електронів від одних атомів до інших. Про перехід електронів судять щодо змін ступенів окиснення атомів. Якщо ступінь окислення атома змінилася, то змінилося та його електронне оточення. Існують два способи визначення ступенів окиснення атомів: перший– за брутто-формулою , другий– за структурною формулою .
При визначенні ступенів окиснення атомів першим способом використовують правило: сума ступенів окислення всіх атомів, що утворюють частинку, дорівнює заряду частки . Для молекули така сума дорівнює нулю, а іона – його заряду.
Як ілюстрацію визначимо першим способом ступеня окислення атомів в тіосульфаті натрію Na 2 S 2 Про 3 . Серед елементів, що утворюють частинку, найбільш електронегативним є кисень – він і прийматиме електрони. Оскільки кисень перебуває у головній підгрупі VI групи, то завершення електронного шару йому бракує двох електронів. Отже, атом кисню прийме два електрони і набуде ступеня окислення -2. Найбільше електропозитивний атом – натрій, у якого на зовнішньому електронному рівні всього один електрон (його натрій і віддасть). Ці міркування з урахуванням формули натрію тіосульфату дозволяють скласти рівняння:

2 (+1) + 2х + 3 (–2) = 0,

рішення якого дасть значення ступеня окиснення атома сірки (+2).
Можна визначити ступеня окиснення атомів у складних іонах. Як приклад розглянемо аніон. У ньому найбільш електронегативний атом кисню приймає два електрони і має ступінь окислення -2. Ступінь окислення атома хрому визначається з рівняння:

2х + 7 (–2) = –2

і дорівнює +6.
Другий спосіб знаходження ступенів окислення атомів – за структурною формулою – ґрунтується на визначенні: ступінь окислення – це умовний цілий заряд, який був би на атомі, якби всі його полярні ковалентні зв'язки стали іонними.Зобразивши структурну формулу тіосульфату натрію

визначимо ступеня окиснення його атомів.
Атоми натрію, з'єднані одинарними зв'язками з електронегативними атомами кисню, природно, віддадуть їм свої зовнішні електрони, знайшовши кожен ступінь окислення +1. Атоми кисню, що мають по два зв'язки з більш електропозитивними атомами, умовно приймуть по два електрони і будуть володіти ступенем окислення -2. Зі структурної формули видно, що в поєднанні знаходяться два атоми сірки в різному оточенні. Один з атомів S з'єднаний тільки подвійним зв'язком з іншим атомом S, та його ступінь окислення дорівнює нулю. Другий атом сірки має чотири зв'язки з трьома більш негативними атомами кисню і, отже, має ступінь окислення +4.
Середній ступінь окислення атомів сірки, як і щодо її першим способом, дорівнює +2 ((+4+0)/2).
Атом кисню який завжди має ступінь окислення –2. Наприклад, у його поєднанні з атомами фтору він має позитивний ступінь окислення . У пероксидах ступінь окислення кожного атома кисню дорівнює , надпероксидах – лише , а озонидах – навіть . Також у атома сірки ступінь окислення може дорівнювати –1, наприклад у дисульфідах . У деяких оксидах, наприклад Fe 3 Про 4 і Pb 3 O 4 , ступені окислення атомів визначають, виходячи з того, що ці оксиди змішані: Fe 2 O 3 FeO і PbO 2 2PbO відповідно.

5.2. Складання рівнянь
окисно-відновних реакцій

Підбір коефіцієнтів у рівняннях окисно-відновних реакцій здійснюють, становлячи електронний баланс. Метод підбору, що зводиться до підрахунку кількостей атомів у правій та лівій частинах рівняння, не завжди гарантує правильне визначення коефіцієнтів. Так, у трьох наведених нижче рівняннях окислення триетиламіну азотною кислотою містяться рівні кількості атомів вуглецю, водню, кисню та азоту в лівій та правій частинах, але реалізується лише одне з них:

4(З 2 Н 5)3N + 36НNО 3 = 24СО 2 + 48Н 2 О + 6NO 2 + 17N 2 ,

2(З 2 Н 5)3N + 78НNО 3 = 12СО 2 + 54Н 2 О + 78NO 2 + N 2 ,

(З 2 Н 5) 3 N + 11НNО 3 = 6СО 2 + 13Н 2 О + 4NO 2 + 4N 2 .

Теорія окислювально-відновного процесу передбачає передачу електронів від атомів відновника атомів окислювача. Відповідно до закону збереження матерії сумарна кількість електронів, відданих відновником, дорівнює сумарній кількості електронів, прийнятих окислювачем. Цією простою ідеєю керуються при складанні рівнянь окисно-відновних реакцій. Завдання полягає у підборі коефіцієнтів пропорційності, у яких досягається електронний баланс.
Розберемо приклад окислення молекули етилбензолу перманганатом калію в кислому середовищі під час нагрівання. Запишемо рівняння реакції та вкажемо ступеня окиснення тих атомів, які змінили її, причому їх ступеня окиснення в молекулах етилбензолу та бензойної кислоти визначимо, користуючись відповідними структурними формулами:

Атом вуглецю, безпосередньо пов'язаний з бензольним кільцем, змінить ступінь окислення від -2 до +3 (віддасть 5 електронів). Атом вуглецю метильної групи змінить ступінь окислення від -3 до +4 у діоксиді вуглецю (віддасть 7 електронів). У сумі молекула етилбензолу віддасть 12 електронів. Атом марганцю змінить ступінь окиснення від +7 до +2 (прийме 5 електронів). У такому разі маємо рівняння:

12х = 5y,

мінімальні позитивні цілочисленні рішення якого дорівнюють х = 5, у = 12.
Підбір коефіцієнтів у рівняннях реакцією диспропорціонування методом електронного балансу необхідно здійснювати з правої частини. Як приклад розберемо диспропорціонування бертолетової солі (без каталізатора):

Зі змін ступенів окислення атомів у ході реакції випливає, що прийняв 6 електронів, а нібито віддав 2 електрони.
Тоді

(КСl) = 3(КClО 4).

Отже, необхідно перед перхлоратом калію KClO 4 поставити коефіцієнт 3:

4КClО 3 = КСl + 3КClO 4 .

5.3. Електроліз

Розкладання електроліту (у розчині чи розплаві) під час проходження крізь нього електричного струмуназивають електролізом .
Приладове оформлення процесу електролізу зводиться до того, що два електроди, підключені до джерела струму, опускають у посудину з розчином або розплавом електроліту (рис. 5.1).

Негативно заряджений електрод називається катодом (до нього притягуються катіони), а позитивно заряджений електрод – анодом (Він притягує аніони). Електричний ланцюгзамикається за рахунок окислювально-відновних процесів, що проходять на електродах. На катоді відбувається відновлення катіонів, але в аноді – окислення аніонів.
Почнемо розгляд процесу з найпростішого випадку – електролізу розплавів.При електролізі розплавів на катодівідновлюються катіони металу до чистого металу, а на анодіпрості аніони окислюються до простої речовини, наприклад:

2Сl - - 2 е= Сl 2

S 2– – 2 е= S.

Якщо аніон має складну будову, то цьому випадку протікає процес, що вимагає найменших витрат енергії. Якщо сіль стійка до нагрівання і атом елемента в аніоні перебуває в найвищому ступені окислення, то окислюється кисень до простої речовини:

– 2е= SO 3 + 1/2О 2 .

Якщо атом елемента знаходиться в проміжному ступені окислення, то найімовірніше, що в цьому випадку окислюватиметься не кисень, а атом іншого елемента в аніоні, наприклад:

– e= NO 2.

Електроліз у розчинах складніший з погляду визначення продуктів. Пов'язано це з появою ще одного компонента води. Метали зі стандартними електродними потенціалами від -1,67 В (Al) і нижче (що знаходяться ліворуч від марганцю в ряді напруг металів) з водних розчинів, як правило, не відновлюються. У таких системах на катоді виділяється водень. Пов'язано це насамперед із тим, що зазначені метали (зокрема магній та алюміній без захисної окисної плівки) реагують із водою. Але це зовсім не означає, що електродні процеси типу

Na + + e= Na

у водяних розчинах не відбуваються. Один із способів одержання металевого натрію – електроліз водного розчину NаСl (розсолу). Секрет цього процесу полягає у використанні ртутного катода. Атоми натрію, що відновилися, поглинаються шаром ртуті, що оберігає їх від контакту з водою. Подальший поділ на компоненти амальгами натрію, що утворилася (амальгама - сплав, один з компонентів якого ртуть) досягається ректифікацією. Звільнена ртуть потім повертається до робочого циклу.
Про неможливість отримання взаємодіючих з водою металів за допомогою електролізу водних розчинів відповідних електролітів свідчить також таке міркування. Нехай при електролізі водного розчину на катоді відбулося відновлення кальцію:

Са 2+ + 2 e= Ca.

Метал, відновившись, вступить у реакцію з водою:

Са + 2Н2О = Са(ОН) 2 + Н2.

Отже, замість металу на катоді виділиться водень.
Метали зі стандартними електродними потенціалами в інтервалі від -1,05 до 0 В (перебувають в електрохімічному ряду між алюмінієм і воднем) з водних розчинів відновлюються паралельно з воднем. Співвідношення продуктів (метал та водень) визначається концентрацією розчину, його кислотністю та деякими іншими факторами (наявність інших, особливо комплексних, солей у розчині; матеріал, з якого виготовлений електрод). Чим вище концентрація солі, тим більше частка металу, що виділився. Чим кисліше середовище, тим ймовірніше виділення водню.
потенціалами (що перебувають у ряді напруг металів правіше водню) виділяються при електролізі розчинів насамперед. Наприклад:

Ag + + e= Ag.

На аноді при електроліз водних розчинів окислюються всі прості аніони, за винятком фториду. Наприклад:

2I – – 2 e= I2.

Фтор не можна отримати електроліз водних розчинів, т.к. він реагує з водою:

F 2 + Н 2 O = 2НF + 1/2О2.

Якщо сіль, піддається електролізу, містить складний аніон, у якому гетероатом (не кисень) перебуває у найвищому ступені окислення, то цьому разі аноді утворюється кисень, тобто. відбувається розкладання води:

H 2 O – 2 e= 2H + + 1/2O 2 .

Джерелом кисню може служити сам складний аніон:

– 2е= SO 3 + 1/2О 2 .

Ангідрид кислоти, що утворився при цьому, тут же прореагує з водою:

SО3 + Н2О = Н2SO4.

Коли гетероатом перебуває у проміжному ступені окислення, окислюється він, а чи не атом кисню. Прикладом такого процесу є окислення сульфіт-іону під дією електричного струму:

Сірчаний ангідрид SО 3, що утворюється при цьому, відразу реагує з водою.
Аніони карбонових кислот в результаті електролізу декарбоксилюються, утворюючи вуглеводні:

2R–COO – – 2 e= R-R + 2CO2.

5.4. Напрямок окислювально-
відновлювальних процесів
та вплив на нього кислотності середовища

Мірою окислювально-відновної здатності речовин у водних розчинах є окислювально-відновлювальні або стандартні електродні потенціали. Визначимо, наприклад, чи може катіон заліза Fe 3+ окислити аніони галогенів KCl, KBr і KI. Знаючи стандартні електродні потенціали (0), можна обчислити електрорушійну силу (ЕРС) процесу. Вона визначається як різниця таких потенціалів окислювача та відновника, причому реакція протікає при позитивному значенні ЕРС:

Таблиця 5.1

Визначення можливості протікання
окисно-відновних процесів
на основі стандартних електродних потенціалів

Табл. 5.1 показує, що лише один із досліджуваних процесів можливий. Справді, із усіх зазначених вище галогенідів калію з трихлоридом заліза реагує лише КІ:

2FeCl 3 + 2KI = 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl.

Існує і інший простий спосіб визначення напрямку процесу. Якщо записати одне під іншим два рівняння напівреакцій процесу так, щоб стандартний електродний потенціал верхньої напівреакції був менше ніж нижньої, то написана між ними буква Z (рис. 5.2) вкаже своїми кінцями напрямки стадій дозволеного процесу (правило Z).

З тих самих речовин, змінюючи рН середовища, можна отримати різні продукти. Наприклад, перманганат-аніон у кислому середовищі відновлюється з утворенням сполуки марганцю(II):

2KMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + 3H 2 O.

У нейтральному середовищі утворюється діоксид марганцю МnО 2:

2КМnО 4 + 3Nа 2 SO 3 + H 2 О = 2КОН + 2МnО 2 + 3Na 2 SO 4 .

У лужному середовищі перманганат-аніон відновлюється до манганат-аніону:

2КМnО 4 + Nа 2 SO 3 + 2KOH = 2К 2 MnO 4 + Na 2 SО 4 + H 2 O.

5.5. Вправи

1. Визначте ступені окислення атомів у таких сполуках: BaO 2 , CsO 2 , RbO 3 , F 2 O 2 , LiH, F 2 , C 2 H 5 OH, толуол, бензальдегід, оцтова кислота.

Хімічний елемент у поєднанні, обчислений з припущення, що всі зв'язки мають іонний тип.

Ступені окислення можуть мати позитивне, негативне або нульове значення, тому алгебраїчна сума ступенів окислення елементів у молекулі з урахуванням числа їх атомів дорівнює 0, а в іоні – заряду іона.

1. Ступені окислення металів у з'єднаннях завжди позитивні.

2. Найвищий ступінь окислення відповідає номеру групи періодичної системи, де знаходиться даний елемент (виняток становлять: Au +3(І група), Cu +2(II), з VIII групи ступінь окислення +8 може бути тільки у осмію Osта рутенія Ru.

3. Ступені окислення неметалів залежать від того, з яким атомом він з'єднаний:

• якщо з атомом металу, то ступінь окиснення негативна;
• якщо з атомом неметалу то ступінь окислення може бути і позитивний, і негативний. Це залежить від електронегативності атомів елементів.

4. Вищий негативний ступінь окислення неметалів можна визначити відніманням з 8 номери групи, у якій перебуває цей елемент, тобто. найвищий позитивний ступінь окислення дорівнює числу електронів на зовнішньому шарі, що відповідає номеру групи.

5. Ступені окислення простих речовин дорівнюють 0, незалежно від того метал це або неметал.

Елементи з постійними ступенями окиснення.

Елемент	Характерний ступінь окислення	Винятки
		Гідриди металів: LIH-1
		Ступенем окисленняназивають умовний заряд частки у припущенні, що зв'язок повністю розірваний (має іонний характер). H- Cl = H + + Cl - , Зв'язок у соляної кислотиковалентна полярна. Електронна пара більшою мірою зміщена у бік атома Cl - , т.к. він більш електронегативний елемент. Як визначити ступінь окиснення? Електронегативність- Це здатність атомів притягувати до себе електрони інших елементів. Ступінь окислення вказується над елементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 ,K + Cl - і т.д. Вона може бути негативною та позитивною. Ступінь окислення простої речовини (незв'язаний, вільний стан) дорівнює нулю. Ступінь окислення кисню у більшості сполук дорівнює -2 (виняток становлять пероксиди Н 2 Про 2, де вона дорівнює -1 та з'єднання з фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ). - Ступінь окисленняпростого одноатомного іона дорівнює його заряду: Na + , Ca +2 . Водень у своїх сполуках має ступінь окислення рівну +1 (виключення становлять гідриди - Na + H - та з'єднання типу C +4 H 4 -1 ). У зв'язках «метал-неметал» негативний ступінь окислення має той атом, який має більшу електрооприцільність (дані про елекронегативність наведені в шкалі Полінга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - і т.д. Правила визначення ступеня окислення у хімічних сполуках. Візьмемо з'єднання KMnO 4 , необхідно визначити ступінь окислення атома марганцю. Міркування: Калій - лужний метал, що стоїть у I групі періодичної таблиці, у зв'язку з чим має лише позитивний ступінь окислення +1. Кисень, як відомо, у більшості своїх сполук має ступінь окислення -2. Ця речовина не є пероксидом, а отже, - не виняток. Складає рівняння: До +Mn X O 4 -2 Нехай Х- невідомий нам ступінь окислення марганцю. Кількість атомів калію – 1, марганцю – 1, кисню – 4. Доведено, що молекула в цілому електронейтральна, тому її загальний заряд має дорівнювати нулю. 1*(+1) + 1*(X) + 4(-2) = 0, Х = +7, Отже, ступінь окислення марганцю перманганаті калію = +7. Візьмемо інший приклад оксиду Fe 2 O 3. Необхідно визначити рівень окислення атома заліза. Міркування: Залізо – метал, кисень – неметал, отже, саме кисень буде окислювачем і матиме негативний заряд. Ми знаємо, що кисень має ступінь окиснення -2. Вважаємо кількості атомів: заліза – 2 атоми, кисню – 3. Складаємо рівняння, де Х- Ступінь окислення атома заліза: 2*(Х) + 3*(-2) = 0, Висновок: ступінь окислення заліза у цьому оксиді дорівнює +3. приклади.Визначити ступеня окиснення всіх атомів у молекулі. 1. K 2 Cr 2 O 7. Ступінь окислення До +1, кисню Про -2. Враховуючи індекси: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2). Т.к. алгебраїчна сума ступенів окислення елементів у молекулі з урахуванням числа їх атомів дорівнює 0, то число позитивних ступенів окислення дорівнює числу негативних. Ступені окислення К+О=(-14)+(+2)=(-12). З цього випливає, що у атома хрому число позитивних ступенів дорівнює 12, але атомів у молекулі 2, отже, на один атом припадає (+12):2=(+6). Відповідь: До 2 + Cr 2 +6 O 7 -2. 2.(AsO 4) 3- . У разі сума ступенів окислення дорівнюватиме вже не нулю, а заряду іона, тобто. - 3. Складемо рівняння: х+4×(- 2)= - 3 . Відповідь: (As +5 O 4 -2) 3- .

Щоб правильно розставляти ступеня окислення, необхідно пам'ятати чотири правила.

1) У простій речовині ступінь окислення будь-якого елемента дорівнює 0. Приклади: Na 0 , H 0 2 , P 0 4 .

2) Слід запам'ятати елементи, котрим характерні постійні ступені окислення. Усі вони перелічені у таблиці.

3) Вищий ступінь окислення елемента, як правило, збігається з номером групи, в якій знаходиться даний елемент (наприклад, фосфор знаходиться в V групі, вища с. о. фосфору дорівнює +5). Важливі винятки: F, O.

4) Пошук ступенів окислення інших елементів заснований на простому правилі:

У нейтральній молекулі сума ступенів окислення всіх елементів дорівнює нулю, а іоні - заряду іона.

Декілька простих прикладів на визначення ступенів окислення

Приклад 1. Необхідно знайти ступеня окиснення елементів в аміаку (NH 3).

Рішення. Ми вже знаємо (див. 2), що ст. бл. водню дорівнює +1. Залишилося знайти цю характеристику азоту. Нехай х – шуканий ступінь окислення. Складаємо найпростіше рівняння: х + 3 (+1) = 0. Рішення очевидне: х = -3. Відповідь: N-3 H3+1.

Приклад 2. Вкажіть ступінь окислення всіх атомів у молекулі H 2 SO 4 .

Рішення. Ступені окислення водню та кисню вже відомі: H(+1) та O(-2). Складаємо рівняння для визначення ступеня окислення сірки: 2 (+1) + х + 4 (-2) = 0. Вирішуючи дане рівняння, знаходимо: х = +6. Відповідь: H+12S+6O-24.

Приклад 3. Розрахуйте ступені окислення всіх елементів у молекулі Al(NO 3) 3 .

Рішення. Алгоритм залишається незмінним. До складу "молекули" нітрату алюмінію входить один атом Al(+3), 9 атомів кисню (-2) та 3 атоми азоту, ступінь окислення якого нам і належить обчислити. Відповідне рівняння: 1 (+3) + 3х + 9 (-2) = 0. Відповідь: Al +3 (N +5 O -2 3) 3 .

Приклад 4. Визначте ступеня окиснення всіх атомів в іоні (AsO 4) 3- .

Рішення. В даному випадку сума ступенів окислення дорівнюватиме вже не нулю, а заряду іона, тобто, -3. Рівняння: х + 4(-2) = -3. Відповідь: As(+5), O(-2).

Що робити, якщо невідомі ступені окислення двох елементів

А чи можна визначити ступеня окиснення відразу кількох елементів, користуючись схожим рівнянням? Якщо розглядати це завдання з погляду математики, відповідь буде негативною. Лінійне рівнянняіз двома змінними не може мати однозначного рішення. Але ми вирішуємо не просто рівняння!

Приклад 5. Визначте ступеня окислення всіх елементів (NH 4) 2 SO 4 .

Рішення. Ступені окислення водню та кисню відомі, сірки та азоту – ні. Класичний прикладзавдання із двома невідомими! Розглянемо сульфат амонію не як єдину "молекулу", а як об'єднання двох іонів: NH 4 + і SO 4 2- . Заряди іонів нам відомі, у кожному міститься лише один атом з невідомим ступенем окислення. Користуючись досвідом, набутим під час вирішення попередніх завдань, легко знаходимо ступеня окислення азоту та сірки. Відповідь: (N -3 H 4 +1) 2 S +6 O 4 -2.

Висновок: якщо молекула містить кілька атомів з невідомими ступенями окислення, спробуйте "розділити" молекулу на кілька частин.

Як розставляти ступені окислення в органічних сполуках

Приклад 6. Вкажіть ступінь окислення всіх елементів у CH 3 CH 2 OH.

Рішення. Знаходження ступенів окислення в органічних сполук має свою специфіку. Зокрема, необхідно окремо знаходити ступеня окиснення для кожного атома вуглецю. Розмірковувати можна так. Розглянемо, наприклад, атом вуглецю у складі метильної групи. Даний атом З'єднаний з 3 атомами водню та сусіднім атомом вуглецю. за зв'язку С-Нвідбувається зміщення електронної щільності у бік атома вуглецю (т. до. електронегативність З перевищує ЕО водню). Якби це усунення було повним, атом вуглецю придбав заряд -3.

Атом С у складі групи -СН 2 ВІН пов'язаний з двома атомами водню (зміщення електронної щільності у бік С), одним атомом кисню (зміщення електронної щільності у бік О) та одним атомом вуглецю (можна вважати, що зміщення ел. щільності у цьому випадку не відбувається). Ступінь окислення вуглецю дорівнює -2+1+0=-1.

Відповідь: З -3 H +1 3 C -1 H +1 2 O -2 H +1.

Не змішуйте поняття "валентність" та "ступінь окислення"!

Ступінь окислення часто плутають з валентністю. Не робіть такої помилки. Перелічу основні відмінності:

• ступінь окислення має знак (+ або -), валентність – ні;
• ступінь окислення може дорівнювати нулю навіть у складній речовині, рівність валентності нулю означає, як правило, що атом даного елемента не з'єднаний з іншими атомами (будь-якого з'єднання включення та іншу "екзотику" тут обговорювати не будемо);
• ступінь окислення - формальне поняття, яке набуває реального сенсу лише в з'єднаннях з іонними зв'язками, поняття "валентність", навпаки, найбільш зручно застосовувати по відношенню до ковалентних сполук.

Ступінь окислення (точніше, її модуль) часто чисельно дорівнює валентності, але ще частіше ці величини не збігаються. Наприклад, ступінь окислення вуглецю CO 2 дорівнює +4; валентність З також дорівнює IV. А ось у метанолі (CH 3 OH) валентність вуглецю залишається тією ж, а ступінь окислення С дорівнює -1.

Невеликий тест на тему "Ступінь окислення"

Витратьте кілька хвилин, перевірте, як ви засвоїли цю тему. Вам потрібно відповісти на п'ять нескладних питань. Успіхів!

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.

Кроки

Частина 1

Визначення ступеня окиснення за законами хімії

Визначте, чи є речовина, що розглядається, елементарною.Ступінь окислення атомів поза хімічною сполукою дорівнює нулю. Це справедливо як для речовин, утворених з окремих вільних атомів, так і для таких, що складаються з двох або багатоатомних молекул одного елемента.

• Наприклад, Al (s) і Cl 2 мають ступінь окислення 0, оскільки обидва знаходяться у хімічно незв'язаному елементарному стані.
• Зверніть увагу, що алотропна форма сірки S 8 або октасера, незважаючи на свою нетипову будову, також характеризується нульовим ступенем окислення.

1. Визначте, чи складається речовина, що розглядається, з іонів.Ступінь окислення іонів дорівнює їхньому заряду. Це справедливо як вільних іонів, так тих, які входять до складу хімічних сполук.

   • 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.

2. Врахуйте, що іони металів можуть мати кілька ступенів окиснення.Атоми багатьох металевих елементів можуть іонізуватися різні величини. Наприклад, заряд іонів такого металу як залізо (Fe) дорівнює +2 або +3. Заряд іонів металу (і їх ступінь окислення) можна визначити зарядами іонів інших елементів, з якими цей метал входить до складу хімічної сполуки; у тексті цей заряд позначається римськими цифрами: залізо (III) має ступінь окислення +3.

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

3. Ступінь окиснення кисню дорівнює -2 (за деякими винятками).Майже завжди атоми кисню мають ступінь окислення -2. Є кілька винятків із цього правила:

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

4. Водень характеризується ступенем окиснення +1, за деякими винятками.Як і для кисню, тут також є винятки. Як правило, ступінь окислення водню дорівнює +1 (якщо він не знаходиться в елементарному стані H2). Однак у сполуках, які називаються гідридами, ступінь окислення водню становить -1.

   • Наприклад, H 2 O 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 його ступінь окислення) повинен дорівнювати -1.

5. Фтор завждимає ступінь окиснення -1.Як було зазначено, ступінь окислення деяких елементів (іони металів, атоми кисню в перекисах тощо) може змінюватися залежно від низки чинників. Ступінь окиснення фтору, однак, незмінно становить -1. Це тим, що це 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.

6. Сума ступенів окислення у поєднанні дорівнює його заряду.Ступені окислення всіх атомів, що входять до хімічне з'єднання, У сумі повинні давати заряд цього з'єднання. Наприклад, якщо з'єднання нейтральне, сума ступенів окислення всіх його атомів повинна дорівнювати нулю; якщо з'єднання є багатоатомним іоном із зарядом -1, сума ступенів окиснення дорівнює -1, і так далі.

   • Це хороший метод перевірки - якщо сума ступенів окислення не дорівнює загальному заряду з'єднання, то ви десь помилилися.

   Частина 2

   Визначення ступеня окиснення без використання законів хімії

   1. Знайдіть атоми, які не мають суворих правил щодо ступеня окиснення.По відношенню до деяких елементів немає твердо встановлених правил знаходження ступеня окислення. Якщо атом не підпадає під жодне правило з перерахованих вище, і ви не знаєте його заряду (наприклад, атом входить до складу комплексу, і його заряд не вказаний), ви можете встановити ступінь окислення такого атома методом виключення. Спочатку визначте заряд решти атомів сполуки, а потім із відомого загального заряду сполуки обчисліть ступінь окислення даного атома.

      • Наприклад, у поєднанні Na 2 SO 4 невідомий заряд атома сірки (S) - ми лише знаємо, що він не нульовий, оскільки сірка знаходиться не в елементарному стані. Ця сполука є хорошим прикладом для ілюстрації методу алгебри визначення ступеня окислення.

   2. Знайдіть ступені окислення інших елементів, що входять до з'єднання.За допомогою описаних вище правил визначте ступені окислення інших атомів сполуки. Не забувайте про винятки правил у випадку атомів O, H і так далі.

      • Для Na 2 SO 4 , користуючись нашими правилами, ми бачимо, що заряд (отже і ступінь окислення) іона Na дорівнює +1, а кожного з атомів кисню становить -2.
   3. У з'єднаннях сума всіх ступенів окиснення повинна дорівнювати заряду. Наприклад, якщо з'єднання являє собою двоатомний іон, сума ступенів окислення атомів повинна дорівнювати загальному іонному заряду.
   4. Дуже корисно вміти користуватися періодичною таблицею Менделєєва і знати, де в ній розміщуються металеві та неметалеві елементи.
   5. Ступінь окислення атомів в елементарному вигляді завжди дорівнює нулю. Ступінь окислення одиничного іона дорівнює його заряду. Елементи групи 1A таблиці Менделєєва, такі як водень, літій, натрій, елементарному вигляді мають ступінь окислення +1; ступінь окислення металів групи 2A, таких як магній та кальцій, в елементарному вигляді дорівнює +2. Кисень і водень, залежно від виду хімічного зв'язку, можуть мати 2 різні значення ступеня окислення.