Таблица степени окисления химических элементов. Основные способы получения оксидов

В настоящее время описание химии любого элемента начинают с электронной формулы, выделения особых валентных электронов и сведений о степенях окисления, проявляемых элементов в соединениях.

Количество валентных электронов и тип орбиталей, на которых они находятся, определяет степени окисления, проявляемых элементом при образовании соединений .

Степень окисления металла определяется количеством электронов, участвующих в образовании связи с более электроотрицательными элементами (например, с кислородом, галогенами, серой и др.). Будем обозначать степень окисления элемента Х Э . Предельно возможная (максимальная) степень окисления определяется общим числом валентных электронов. При образовании соединения металл может использовать не все свои валентные электроны, в этом случае металл оказывается в некоторой промежуточной степени окисления. При этом для металлов р- и d-блоков, как правило, характерно несколько степеней окисления. Для каждого металла среди промежуточных степеней окисления можно выделить наиболее характерные, т.е. степени окисления, проявляемые металлом в своих распространенных и относительно устойчивых соединениях.

Существуют большие различия между d-элементами четвертого и элементами 5 и 6 периодов .

Из-за различий в энергии s-электронов 4 слоя и d-электронов 3 слоя все элементы 4 периода, кроме Sc, проявляют степень окисления +2, связанную с потерей двух электронов с внешней ns-орбитали. У многих элементов степень окисления +2 является устойчивой и ее устойчивость увеличивается к концу ряда.

У d-элементов 4 периода наиболее устойчивыми являются низкие степени окисления +2, +3, +4 .

При большом заряде ядра s-электроны сильнее удерживаются, различие в энергиях ns- и (n-1)d-орбиталей уменьшается, и это приводит к тому, что у d-элементов 5 и 6 периодов высшие степени окисления в 3 ¸ 7 группах становятся самыми устойчивыми. Вообще, у d-элементов 5 и 6 периодов устойчивы высокие степени окисления больше 4 . Исключение составляют d-элементы 3,11 и 12 групп.

В приведенных ниже таблицах указаны характерные степени окисления d-металлов, красным цветом выделены наиболее устойчивые. В таблицу не включены степени окисления, проявляемые металлами в редких и неустойчивых соединениях.
При описании химии любого элемента обязательно указывают характерные для него степени окисления.

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .

Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.

Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (N 2 , H 2 , Cl 2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Высшая степень окисления

Для элементов, проявляющих в своих соединениях различные степени окисления, существуют понятия высшей (максимальной положительной) и низшей (минимальной отрицательной) степеней окисления. Высшая степень окисления химического элемента обычно численно совпадает с номером группы в Периодической системе Д. И. Менделеева. Исключения составляют фтор (степень окисления равна -1, а элемент расположен в VIIA группе), кислород (степень окисления равна +2, а элемент расположен в VIA группе), гелий, неон, аргон (степень окисления равна 0, а элементы расположены в VIII группе), а также элементы подгруппы кобальта и никеля (степень окисления равна +2, а элементы расположены в VIII группе), для которых высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе (максимальная положительная степень окисления меди и серебра равна +2, золота +3).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

• В сероводороде степень окисления серы равна (-2), а в простом веществе - сере - 0:

Изменение степени окисления серы: -2 → 0, т.е. шестой вариант ответа.

• В простом веществе - сере — степень окисления серы равна 0, а в SO 3 - (+6):

Изменение степени окисления серы: 0 → +6, т.е. четвертый вариант ответа.

• В сернистой кислоте степень окисления серы равна (+4), а в простом веществе - сере - 0:

1×2 +x+ 3×(-2) =0;

Изменение степени окисления серы: +4 → 0, т.е. третий вариант ответа.

ПРИМЕР 2

Умение находить степень окисления химических элементов является необходимым условием для успешного решения химический уравнений, описывающих окислительно-восстановительные реакции. Без него вы не сможете составить точную формулу вещества, получившегося в результате реакции между различными химическими элементами. В результате решение химических задач, построенных на подобных уравнениях, будет либо невозможным, либо ошибочным.

В окислительно-восcтановительных реакциях понятие степень окисления используется для определения химических формул соединений элементов, получающихся в результате взаимодействия нескольких веществ.

На первый взгляд может показаться, что степень окисления эквивалентна понятию валентности химического элемента, но это не так. Понятие валентность используется для количественного выражения электронного взаимодействия в ковалентных соединениях, то есть в соединениях, образованных за счет образования общих электронных пар. Степень окисления используется для описания реакций, которые сопровождаются отдачей или присоединением электронов.

В отличии от валентности, являющейся нейтральной характеристикой, степень окисления может иметь положительное, отрицательное, или нулевое значение. Положительное значение соответствует числу отданных электронов, а отрицательная числу присоединенных. Нулевое значение означает, что элемент находится либо в форме простого вещества, либо он был восстановлен до 0 после окисления, либо окислен до нуля после предшествующего восстановления.

Как определить степень окисления конкретного химического элемента
Определение степени окисления для конкретного химического элемента подчиняется следующим правилам:

1. Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
   
2. Щелочные металлы, которые находятся в первой группе периодической таблицы, имеют степень окисления +1.
   
3. Щелочноземельные металлы, занимающие в периодической таблице вторую группу, имеют степень окисления +2.
   
4. Водород в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, а в соединениях с металлами +1.
   
5. Степень окисления молекулярного кислорода во всех соединениях, рассматриваемых в школьном курсе неорганической химии, равна -2. Фтора -1.
   
6. При определении степени окисления в продуктах химических реакций исходят из правила электронейтральности, в соответствии с которым сумма степеней окисления различных элементов, входящих в состав вещества, должна быть равна нулю.
   
7. Алюминий во всех соединениях проявляет степень окисления равную +3.
   

Различают высшую, низшую и промежуточную степени окисления. Высшая степень окисления, как и валентность, соответствует номеру группы химического элемента в периодической таблице, но имеет при этом положительное значение. Низшая степень окисления численно равна разности между числом 8 группой элемента. Промежуточной степенью окисления будет любой число в диапазоне от низшей степени окисления до высшей.

Чтобы помочь вам сориентироваться в многообразии степеней окисления химических элементов предлагаем вашему вниманию следующую вспомогательную таблицу. Выберите в ней интересующий вас элемент и вы получите значения его возможных степеней окисления. В скобках будут указаны редко встречающиеся значения.

Во многих школьных учебниках и пособиях учат составлять формулы по валентностям, даже для соединений с ионными связями. Для упрощения процедуры составления формул это, на наш взгляд, допустимо. Но нужно понимать, что это не совсем корректно ввиду вышеизложенной причины.

Более универсальным понятием является понятие о степени окисления. По значениям степеней окисления атомов так же как и по значениям валентности можно составлять химические формулы и записывать формульные единицы.

Степень окисления - это условный заряд атома в частице (молекуле, ионе, радикале), вычисленный в приближении того, что все связи в частице являются ионными.

Прежде чем определять степени окисления, необходимо сравнить электроотрицательности связуемых атомов. Атом с большим значением электроотрицательности имеет отрицательную степень окисления, а с меньшим положительную.

С целью объективного сравнения значений электроотрицательности атомов при расчёте степеней окисления, в 2013 году IUPAC дал рекомендацию использовать шкалу Аллена.

* Так, например, по шкале Аллена электроотрицательность азота 3,066, а хлора 2,869.

Проиллюстрируем данное выше определение на примерах. Составим структурную формулу молекулы воды.

Ковалентные полярные связи O-H обозначены синим цветом.

Представим, что обе связи являются не ковалентными, а ионными. Если бы они были ионными, то с каждого атома водорода на более электроотрицательный атом кислорода перешло бы по одному электрону. Обозначим эти переходы синими стрелками.

*В этом примере, стрелка служит для наглядной иллюстрации полного перехода электронов, а не для иллюстрации индуктивного эффекта.

Легко заметить, что число стрелок показывает количество перешедших электронов, а их направление - направление перехода электронов.

На атом кислорода направлено две стрелки, это значит, что к атому кислорода переходит два электрона: 0 + (-2) = -2. На атоме кислорода образуется заряд равный -2. Это и есть степень окисления кислорода в молекуле воды.

С каждого атома водорода уходит по одному электрону: 0 - (-1) = +1. Значит, атомы водорода имеют степень окисления равную +1.

Сумма степеней окисления всегда равняется общему заряду частицы.

Например, сумма степеней окисления в молекуле воды равна: +1(2) + (-2) = 0. Молекула - электронейтральная частица.

Если мы вычисляем степени окисления в ионе, то сумма степеней окисления, соответственно, равна его заряду.

Значение степени окисления принято указывать в верхнем правом углу от символа элемента. Причём, знак пишут впереди числа . Если знак стоит после числа - то это заряд иона.

Например, S -2 - атом серы в степени окисления -2, S 2- - анион серы с зарядом -2.

S +6 O -2 4 2- - значения степеней окисления атомов в сульфат-анионе (заряд иона выделен зелёным цветом).

Теперь рассмотрим случай, когда соединение имеет смешанные связи: Na 2 SO 4 . Связь между сульфат-анионом и катионами натрия - ионная, связи между атомом серы и атомами кислорода в сульфат-ионе - ковалентные полярные. Запишем графическую формулу сульфата натрия, а стрелками укажем направление перехода электронов.

*Структурная формула отображает порядок ковалентных связей в частице (молекуле, ионе, радикале). Структурные формулы применяют только для частиц с ковалентными связями. Для частиц с ионными связями понятие структурной формулы не имеет смысла. Если в частице имеются ионные связи, то применяют графическую формулу.

Видим, что от центрального атома серы уходит шесть электронов, значит степень окисления серы 0 - (-6) = +6.

Концевые атомы кислорода принимают по два электрона, значит их степени окисления 0 + (-2) = -2

Мостиковые атомы кислорода принимают по два электрона, их степень окисления равна -2.

Определить степени окисления возможно и по структурно-графической формуле, где черточками указывают ковалентные связи, а у ионов указывают заряд.

В этой формуле мостиковые атомы кислорода уже имеют единичные отрицательные заряды и к ним дополнительно приходит по электрону от атома серы -1 + (-1) = -2, значит их степени окисления равны -2.

Определим степени окисления элементов в надпероксиде (супероксиде) калия. Для этого составим графическую формулу супероксида калия, стрелочкой покажем перераспределение электронов. Связь O-O является ковалентной неполярной, поэтому в ней перераспределение электронов не указывается.

* Надпероксид-анион является ион-радикалом. Формальный заряд одного атома кислорода равен -1, а другого, с неспаренным электроном, 0.

Видим, что степень окисления калия равна +1. Степень окисления атома кислорода, записанного в формуле напротив калия, равна -1. Степень окисления второго атома кислорода равна 0.

Точно также можно определить степени окисления и по структурно-графической формуле.

В кружочках указаны формальные заряды иона калия и одного из атомов кислорода. При этом значения формальных зарядов совпадают со значениями степеней окисления.

Так как оба атома кислорода в надпероксид-анионе имеют разные значения степени окисления, то можно вычислить средне-арифметическую степень окисления кислорода.

Она будет равна / 2 = - 1/2 = -0,5.

Значения среднеарифметических степеней окисления обычно указывают в брутто-формулах или формульных единицах, чтобы показать что сумма степеней окисления равна общему заряду системы.

Для случая с надпероксидом: +1 + 2(-0,5) = 0

Легко определить степени окисления используя электронно-точечные формулы, в которых указывают точками неподеленные электронные пары и электроны ковалентных связей.

Кислород - элемент VIА - группы, следовательно в его атоме 6 валентных электронов. Представим, что в молекуле воды связи ионные, в этом случае атом кислорода получил бы октет электронов.

Степень окисления кислорода соответственно равна: 6 - 8 = -2.

А атомов водорода: 1 - 0 = +1

Умение определять степени окисления по графическим формулам бесценно для понимания сущности этого понятия, так же это умение потребуется в курсе органической химии. Если же мы имеем дело с неорганическими веществами, то необходимо уметь определять степени окисления по молекулярным формулам и формульным единицам.

Для этого прежде всего нужно понять, что степени окисления бывают постоянными и переменными. Элементы, проявляющие постоянную степень окисления необходимо запомнить.

Любой химический элемент характеризуется высшей и низшей степенями окисления.

Низшая степень окисления - это заряд, который приобретает атом в результате приёма максимального количества электронов на внешний электронный слой.

Ввиду этого, низшая степень окисления имеет отрицательное значение, за исключением металлов, атомы которых электроны никогда не принимают ввиду низких значений электроотрицательности. Металлы имеют низшую степень окисления равную 0.

Большинство неметаллов главных подгрупп старается заполнить свой внешний электронный слой до восьми электронов, после этого атом приобретает устойчивую конфигурацию (правило октета ). Поэтому, чтобы определить низшую степень окисления, необходимо понять сколько атому не хватает валентных электронов до октета.

Например, азот - элемент VА группы, это значит, что в атоме азота пять валентных электронов. До октета атому азота не хватает трёх электронов. Значит низшая степень окисления азота равна: 0 + (-3) = -3

В школе химия до сих пор занимает место одного из самых сложных предметов, который, ввиду того, что скрывает множество затруднений, вызывает у учеников (обычно это в период с 8 по 9 классы) больше ненависти и безразличия к изучению, чем интереса. Всё это снижает качество и количество знаний по предмету, хотя во многих сферах по сей день требуются специалисты в этой области. Да, сложных моментов и непонятных правил в химии иногда даже больше, чем кажется. Один из вопросов, которые волнуют большинство учеников, это что такое степень окисления и как определять степени окисления элементов.

Важное правило – правило расстановки, алгоритмы

Здесь много говорится о таких соединениях, как оксиды. Для начала, любой ученик должен выучить определение оксидов - это сложные соединения из двух элементов, в их составе находится кислород. К классу бинарных соединений оксиды относят по той причине, что в алгоритме кислород стоит вторым по очереди. При определении показателя важно знать правила расстановки и рассчитать алгоритм.

Алгоритмы для кислотных оксидов

Степени окисления - это численные выражения валентности элементов. К примеру, кислотные оксиды образованы по определённому алгоритму: сначала идут неметаллы или металлы (их валентность обычно от 4 до 7), а после идёт кислород, как и должно быть, вторым по порядку, его валентность равняется двум. Определяется она легко - по периодической таблице химических элементов Менделеева. Также важно знать то, что степень окисления элементов - это показатель, который предполагает либо положительное, либо отрицательное число .

В начале алгоритма, как правило, неметалл, и его степень окисления - положительная. Неметалл кислород в оксидных соединениях имеет стабильное значение, которое равняется -2. Чтобы определить верность расстановки всех значений, нужно умножить все имеющиеся цифры на индексы у одного конкретного элемента, если произведение с учётом всех минусов и плюсов равняется 0, то расстановка достоверна.

Расстановка в кислотах, содержащих кислород

Кислоты являются сложными веществами , они связаны с каким-либо кислотным остатком и содержат в себе один или несколько атомов водорода. Здесь, для вычисления степени, требуются навыки в математике, так как показатели, необходимые для вычисления, цифровые. У водорода или протона он всегда одинаков – +1. У отрицательного иона кислорода отрицательная степень окисления -2.

После проведения всех этих действий можно определить степень окисления и центрального элемента формулы. Выражение для её вычисления представляет собой формулу в виде уравнения. Например, для серной кислоты уравнение будет с одним неизвестным.

Основные термины в ОВР

ОВР – это восстановительно-окислительные реакции .

• Степень окисления любого атома - характеризует способность этого атома присоединять или отдавать другим атомам электроны ионов (или атомов);
• Принято считать окислителями либо заряженные атомы, либо незаряженные ионы;
• Восстановителем в этом случае будут заряженные ионы или же, напротив, незаряженные атомы, которые теряют свои электроны в процессе химического взаимодействия;
• Окисление заключается в отдаче электронов.

Как расставлять степень окисления в солях

Соли состоят из одного металла и одного или нескольких кислотных остатков. Методика определения такая же, как и в кислотосодержащих кислотах.

Металл, который непосредственно образует соль, располагается в главной подгруппе, его степень будет равна номеру его группы, то есть всегда будет оставаться стабильным, положительным показателем.

В качестве примера можно рассмотреть расстановку степеней окисления в нитрате натрия. Соль образуется с помощью элемента главной подгруппы 1 группы, соответственно, степень окисления будет являться положительной и равна единице. В нитратах кислород имеет одного значение – -2. Для того чтобы получить численное значение, для начала составляется уравнение с одним неизвестным, учитывая все минусы и плюсы у значений: +1+Х-6=0. Решив уравнение, можно прийти к тому факту, что численный показатель положителен и равен + 5. Это показатель азота. Важный ключ чтобы высчитать степень окисления – таблица .

Правило расстановки в основных оксидах

• Оксиды типичных металлов в любых соединениях имеют стабильный показатель окисления, он всегда не больше +1, или в других случаях +2;
• Цифровой показатель металла вычисляется при помощи периодической таблицы. Если элемент содержится в главной подгруппе 1 группы, то его значение будет +1;
• Значение оксидов, учитывая и их индексы, после умножения суммировано должны быть равны нулю, т.к. молекула в них нейтральна, частица, лишённая заряда;
• Металлы основной подгруппы 2 группы также имеют устойчивый положительный показатель, который равен +2.