Что общего у ржавчины на железе, горящей свечи и работы батарейки? Во всех этих случаях происходит изменение степени окисления элементов. Разберемся, что означает это понятие, по каким правилам его определяют и как применять знания на практике.
Что такое степень окисления
Нравится РБК? Главные новости дня, эксклюзивы и аналитика ждут вас:
на радио
в подписке
в Max
в Telegram
в приложениях для Android или iOS
Степень окисления — это способ подсчитать, как перераспределяются электроны между атомами в составе соединения [1]. Она показывает, сколько условно электронов атом потерял или присоединил. Без этой величины невозможно было бы описать горение, коррозию металлов, работу аккумуляторов и многие биохимические реакции.
В узком смысле окислением называют соединение вещества с кислородом [2]. Именно так этот процесс трактовали химики XVIII—XIX веков. Когда металл взаимодействует с кислородом и образует оксид, когда железо ржавеет на воздухе или вещество горит — это классические примеры окисления. Такие процессы получили название окислительных, а вещества, вызывающие их, — окислителями.
Однако со временем стало ясно, что аналогичные изменения происходят и без участия кислорода. С развитием атомно-электронной теории ученые установили: суть окисления заключается в потере электронов, а восстановления — в их присоединении [3]. Такое объяснение окончательно закрепилось в химии в конце XIX — начале XX века. Существенный вклад в развитие электрохимических представлений о природе реакций внес Йенс Якоб Берцелиус, рассматривавший химические превращения как процессы взаимодействия частиц с противоположными электрическими свойствами [4].
В реальных молекулах электроны чаще всего принадлежат сразу двум атомам, но при определении степени окисления считают, что общая электронная пара полностью смещена к более электроотрицательному элементу. Это позволяет условно определить «электронный баланс» атома и понять, изменяется ли его состояние в реакции [2].
Как обозначается степень окисления
Степень окисления записывают в виде числа со знаком «плюс» или «минус», которое указывают рядом с химическим символом элемента или размещают над ним. Такая запись показывает условное изменение электронного состояния атома [1]. Например: Na⁺¹, Cl⁻¹, Fe³⁺, O⁻².
Если элемент находится в форме простого вещества — O₂, H₂, Fe, — его степень окисления принимают равной нулю. В этом случае атомы соединены между собой одинаковыми связями, и электронная плотность распределена симметрично, без смещения в какую-либо сторону.
Использование знаков «+» и «−» связано с тем, что степень окисления отражает условный электронный баланс. Положительное значение означает, что атом формально утратил часть электронной плотности, отрицательное — что приобрел ее.
Правила степеней окисления
Перед расчетом важно понять, с чем мы имеем дело: это отдельный элемент, нейтральная молекула или заряженная частица. Кроме того, нужно учитывать положение элемента в периодической системе и его типичные значения степени окисления. Помнить следует и о том, что речь идет не о реальном заряде, а о расчетной модели [2]. Основные положения можно сформулировать так:
- Атомы любого элемента в составе простого вещества имеют степень окисления 0. Это относится к таким соединениям, как O₂, N₂, S₈, Fe и другим формам существования элементов.
- Если частица представляет собой одноатомный ион, ее степень окисления совпадает с величиной заряда. Так, Na⁺ соответствует +1, Cl⁻ — −1, Al³⁺ — +3.
- В электрически нейтральной молекуле алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов всегда равна нулю.
- В многоатомном ионе сумма степеней окисления должна совпадать с зарядом этого иона.
- Элементы первой группы периодической системы в соединениях практически всегда проявляют +1, элементы второй группы — +2.
- Фтор во всех соединениях имеет значение −1.
- Кислород чаще всего проявляет −2, за исключением пероксидов и соединений с фтором.
- Водород обычно имеет +1, но в соединениях с активными металлами может принимать значение −1.
Как определить степень окисления
Приведем универсальный алгоритм для определения степени окисления элемента, который подходит для большинства задач школьного курса химии [2].
- Сначала выясняют, является ли вещество простым. Если да — все атомы получают нулевое значение.
- Затем устанавливают степени окисления тех элементов, для которых они известны почти всегда: металлов первой и второй групп, фтора, кислорода, водорода.
- После этого учитывают общий заряд частицы: для нейтрального соединения сумма должна равняться нулю, для иона — его заряду.
- Неизвестное значение обозначают переменной и составляют уравнение, принимая во внимание индексы в формуле.
- Решают полученное выражение и проверяют, выполняется ли правило суммы.
Примеры степени окисления
Рассмотрим несколько расчетных задач, чтобы увидеть, как алгоритм работает на практике.
Пример 1. HNO₃
Водород принимаем равным +1, кислород — −2. Обозначим степень окисления азота через x:
1 + x + 3· (−2) = 0
1 + x − 6 = 0
x = +5
Азот в азотной кислоте имеет значение +5.
Пример 2. MnO₄⁻
Кислород — −2, всего четыре атома. Обозначим степень окисления марганца через x:
x + 4· (−2) = −1
x − 8 = −1
x = +7
Марганец в перманганат-ионе проявляет +7.
Пример 3. (NH₄) ₂SO₄
Ион NH₄⁺:
x + 4·1 = +1
x = −3
Азот в аммонии имеет −3.
Ион SO₄²⁻:
x + 4· (−2) = −2
x = +6
Сера в сульфат-ионе имеет +6.
Высшая и низшая степени окисления
Один и тот же элемент в разных соединениях может проявлять различные степени окисления. Это связано с тем, что атом способен отдавать или принимать разное количество электронов в зависимости от условий реакции и от того, с какими элементами он взаимодействует. Среди всех возможных значений выделяют крайние — высшую и низшую степени окисления [1], [2].
- Высшая степень окисления — это максимально возможное положительное значение, которое элемент способен проявить в соединениях. Она соответствует наибольшему числу электронов, которые атом может формально отдать. Для элементов главных подгрупп периодической системы это значение часто связано с номером группы: например, у серы максимальная степень окисления достигает +6, у азота +5, у хлора +7. Такие высокие значения обычно наблюдаются в соединениях с сильно электроотрицательными элементами, прежде всего с кислородом и фтором, которые «перетягивают» электронную плотность на себя.
- Низшая степень окисления — это минимальное значение, которое элемент может проявлять, чаще всего отрицательное. Оно отражает способность атома присоединять электроны. У неметаллов низшая степень окисления нередко определяется как разность между числом 8 и номером группы, взятая со знаком «минус». Так, для серы возможна степень −2, для азота −3, для хлора −1. Эти значения проявляются в соединениях с менее электроотрицательными элементами, например с водородом или металлами.
Важно учитывать, что диапазон возможных степеней окисления различается у разных элементов. Щелочные металлы практически всегда проявляют только +1, потому что в их внешнем электронном слое находится один электрон, который легко отдается. Напротив, переходные металлы способны демонстрировать несколько положительных значений, поскольку их внешние и предвнешние электронные уровни участвуют в образовании связей. Именно поэтому, например, железо может иметь степени окисления +2 и +3, а марганец — целый ряд значений от +2 до +7.
Частые вопросы
Тема степени окисления часто вызывает путаницу, особенно когда ее начинают сравнивать с валентностью или пытаются понять, что именно она меняет в веществе. Разберем вопросы, которые чаще всего возникают при изучении этой темы [2].
В чем разница между валентностью и степенью окисления?
Эти два понятия часто путают, потому что оба связаны с поведением атома в соединении. Но они отвечают на разные вопросы.
- Валентность показывает, сколько связей образует атом. Это своего рода соединительная способность элемента. Если атом образует две связи — он двухвалентен, три — трехвалентен. Валентность не имеет знака «плюс» или «минус» и всегда выражается положительным числом, потому что речь идет именно о количестве связей, а не о переносе электронов [5].
- Степень окисления описывает, как изменилось электронное состояние атома. Сместилась ли электронная плотность к атому или от него. Поэтому у нее есть знак: положительный, отрицательный или нулевой.
Один и тот же атом может иметь определенную валентность и при этом другую степень окисления. Например, в воде кислород образует две связи с атомами водорода — значит, он двухвалентен. Но при расчете степени окисления считается, что электронные пары смещены к более электроотрицательному кислороду, поэтому его степень окисления равна −2.
Иными словами, валентность отвечает на вопрос «сколько связей», а степень окисления — «куда сместились электроны».
Что меняет степень окисления?
Сама по себе степень окисления ничего физически не меняет — это расчетная характеристика. Но ее изменение в ходе реакции указывает на реальный процесс: перенос электронов.
Если в уравнении реакции степень окисления элемента увеличивается, это означает, что атом теряет электроны. Такой процесс называют окислением. Если значение уменьшается, значит, атом принимает электроны — это восстановление.
Именно сравнение степеней окисления до и после реакции позволяет понять, является ли она окислительно-восстановительной. По этим изменениям определяют, какое вещество выступает окислителем (принимает электроны), а какое — восстановителем (отдает электроны).
Главное о степени окисления
- Степень окисления — это способ численно описать, как изменилось электронное состояние атома в составе вещества.
- Это не измеряемый заряд частицы, а расчетная модель, которая позволяет упростить анализ химических процессов.
- Если элемент существует сам по себе, без соединения с другими элементами, его электронное состояние принимают равным нулю.
- В любой нейтральной молекуле все положительные и отрицательные значения взаимно компенсируются, а в заряженной частице их сумма совпадает с величиной общего заряда.
- Для некоторых элементов характерно почти неизменное значение степени окисления, что делает вычисления предсказуемыми.
- Когда в ходе реакции степень окисления элемента меняется, это означает, что происходит передача электронов между веществами.
- Понимание этих принципов помогает не только решать задачи, но и объяснять, почему реакции протекают именно так, а не иначе.
Читайте также:
Минэнерго ОАЭ объяснило, почему страна вышла из ОПЕК
Путин заявил о переходе Украины на террор из-за положения дел на фронте
В Туапсе ввели режим ЧС регионального характера