Степень окисления - один из тех терминов, что сочетает в себе, на мой взгляд, чрезвычайно широкий спектр применения и максимальную частоту использования, с одной стороны, и недостаточное понимание большинством рядовых пользователей, с другой стороны.
В рамках этой работы мы постараемся в наиболее простых выражениях обосновать положение теории степени окисления в химии, не упуская формальность конкретных значений нередко его составляющих.
Степень окисления - многосложный термин. Для его понимания необходимо иметь представление, во-первых, о том, почему возникает химическая связь, а во-вторых, владеть понятиями об ионной и ковалентной химических связях.
Если быть кратким, то образование большинства химических связей можно представить как результат стремления атомов химических элементов к получению электронной конфигурации инертного благородного газа, которая характеризуется повышенной устойчивостью и стабильностью.
Так натрий отдаёт один электрон, а хлор его принимает, при этом оба получают электронные формулы инертных газов - неона и аргона соответственно.
Обратим внимание на образующиеся в результате отдачи и принятия электронов заряды. Натрий отдаёт электрон, приобретая заряд +1, хлор принимает электрон, приобретая заряд -1. Эти заряды целочисленные, так как проистекают из представления об ионном типе химической связи, металлической и неметаллической природе химических элементов.
Так натрий (Na) - это металл, характеризуемый так называемыми металлическими свойствами - способностью отдавать электроны, а хлор (Cl) - это неметалл, характеризуемый неметаллическими свойствами, то есть способностью принимать электроны.
Взаимодействие металлов и неметаллов описывается с точки зрения ионной химической связи.
Но самое интересное начнётся тогда, когда мы рассмотрим пример ковалентной связи, то есть связи образованной между атомами химических элементов неметаллов. Возьмём в качестве исходного молекулу метана, состоящую из одного атома углерода (C) и четырёх атомов водорода (H).
И углерод (С) и водород (H) - неметаллы (подробнее об этом здесь), а значит, взаимодействуют по принципу ковалентной связи - образования обобществлённых электронных пар, происхождение которых в свою очередь связано с неспаренными электронами.
Так водород имеет один неспаренный электрон.
А углерод в возбуждённом состоянии - четыре неспаренных электрона.
Напомню, что атомы всех химических элементов, вступая в химическую связь, стремятся получить электронную конфигурацию инертного благородного газа, и атомам углерода и водорода удаётся достигнуть этого состояния в молекуле метана за счёт четырёх обобществлённых электронных пар:
Так за счёт одной обобществлённой электронной пары атом водорода (H) получает в своё распоряжение один дополнительный электрон, а значит - электронную конфигурацию инертного благородного газа гелия (He), а углерод (С) за счёт четырёх обобществлённых электронных пар, получает в своё распоряжение четыре дополнительных электрона, что позволяет ему получить электронную конфигурацию инертного благородного газа неона (Ne).
Ключевой же момент случится тогда, когда мы обратим внимание на образующиеся при этом заряды. Они будут частичными или дробными (δ), так как в результате образования обобществлённых электронных пар ковалентной связи не происходит отдачи или принятия электрона, а лишь смещение электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.
Именно на этом моменте возникает необходимость в степени окисления! Дело в том, что работать с дробными зарядами(δ) отнюдь не так удобно, как с целочисленными, упомянутыми нами в примере ионной связи, поэтому химическая теория идёт на хитрость и в пределах понятия о степени окисления как бы формально, теоретически округляет все дробные значение зарядов частиц до целых, то есть принимает смещение электронной плотности равной отдаче и принятию электронов. Это приводит к тому, что в составе метана степень окисления углерода(C) оказывается равной -4, а степень окисления водорода(H) +1, что, как вы понимаете, не совсем соответствует действительности.
Таким образом:
Степень окисления - это формальный заряд атомов химических элементов, определённый при допущении, что все вещества состоят из ионов, то есть целочисленно-заряженных частиц.
На этом у меня всё. В следующий раз поговорим о правилах расстановки степеней окисления. Спасибо. Пока.