Степень окисления элемента (или окислительное число) — это условная численная величина, характеризующая состояние атома в соединении. С ее помощью удобно анализировать окислительно-восстановительные реакции (ОВР), прогнозировать поведение веществ.

В статье разбирается суть понятия, основные правила поиска степеней окисления, а также приводятся типичные примеры расчетов для простых и сложных соединений.

Что такое степень окисления

Прежде чем говорить о степени окисления, полезно вспомнить, что такое электроотрицательность химического элемента. Под электроотрицательностью понимают свойство атома притягивать электроны в процессе образования химической связи. Атом с более высокой ЭО сильнее притягивает электроны и приобретает частичный отрицательный заряд, тогда как атом с меньшей ЭО становится частично положительным. Разность ЭО определяет тип связи: большая разница ведет к ионной связи, умеренная — к полярной ковалентной, а малая — к неполярной ковалентной.

ЭО напрямую влияет на степень окисления, подразумевающую условный электрический заряд в соединении, который рассчитывается исходя из предположения, что все связи ионные (то есть связывающие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному элементу).

Условность в определении степени окисления объясняется тем, что в действительности ситуация может быть иной: реальный электрический заряд не обязательно будет совпадать с расчетным, а тип химических связей в соединении не будет ионным. Однако такое упрощение (предположение об ионном характере связей) крайне полезно на практике. Оно дает возможность:

систематизировать соединения;
прогнозировать ход реакций;
определять окислители и восстановители;
фиксировать перемещение электронов;
выстраивать балансы по электрическим зарядам и электронам в уравнениях ОВР.

Поэтому условность величины не снижает ее практической ценности.

Степень окисления численно соответствует количеству электронов, перешедших от одного атома к другому. Например, ЭО кислорода больше, чем ЭО углерода. Поэтому в молекуле угарного газа (СО) углерод отдает свои электроны и приобретает положительную степень окисления (+2), тогда как кислород оттягивает электроны на себя и имеет отрицательное окислительное число (-2). В простых веществах (например, N₂, At₂) это число равно нулю, так как нет переноса электронов между атомами, и электронная плотность распределена симметрично.

Вычисление степени окисления: основные правила

При нахождении окислительного числа отталкиваются от ЭО атомов, входящих в химическую формулу. Для этого можно пользоваться специальными шкалами (Полинга, Малликена, Оллреда — Рохова, Оганова) либо таблицей Менделеева. Обычно самой удобной оказывается таблица Полинга. В этой ситуации нет необходимости оперировать конкретными числовыми значениями ЭО. Достаточно определить, какой из элементов характеризуется более высокой ЭО, а какой — более низкой. Элемент с более высоким значением будет смещать электронную плотность на себя и приобретать отрицательное окислительное число.

Для расчетов и проверок их правильности пользуются следующими правилами:

в нейтральной молекуле сумма окислительных чисел «сходится» в ноль, а в ионе она равна заряду этого иона;
для водорода характерно значение «+1» практически в любых соединениях, исключение составляют только гидриды — в них водород показывает «-1»;
степень окисления кислорода меняется в зависимости от «партнеров»: в оксидах она становится «−2», в пероксидах из-за особой одинарной ковалентной сигма-связи O–O принимает значение до «−1», а во фтористых соединениях (F обладает максимальной ЭО) поднимается до «+2»;
окислительное число металлов всегда положительное, а у неметаллов обязательно будет отрицательным в соединении с металлами и водородом. (Хотя некоторые металлы «любят» иногда почудить и продемонстрировать вместо плюса минус. Так, в свинецнатрии NaPb свинец умудряется оттянуть на себя электроны, принадлежащие натрию, и «разбогатеть» до «-4»!)

Среди химических элементов встречаются такие, которые в любых соединениях ведут себя одинаково с точки зрения электронного обмена: отдают или принимают строго фиксированное число электронов. Поэтому их окислительное число имеет постоянное значение. К ним относятся щелочные металлы (+1), щелочноземельные металлы (+2), алюминий (+3), фтор (−1), цинк (+2), кадмий (+2).

Алгоритм действий

Чтобы определить степень окисления, удобно действовать по следующему плану.

Установить, является ли анализируемое вещество простым. Если да, то ответ 0.
Если данное соединение является ионом, то суммарное окислительное число должно совпадать с его зарядом. Необходимую информацию можно найти в таблице растворимости.

Например, определим степени окисления атомов в сульфат-анионе SO₄^2-.

Общий заряд данного аниона равен «−2».

Известно, что кислород имеет степень окисления «−2» (кроме пероксидов и соединений с фтором). В SO₄ имеется 4 атома О, следовательно, их суммарный вклад: 4⋅(−2)= −8.

Сера может иметь разные степени окисления (от «−2» до «+6»); ее величину обозначим как x и найдем с помощью уравнения.

x + (-8) = -2;

x = +6.

Ответ: для серы — «+6», для каждого атома кислорода — «-2».

Расчет степеней окисления в многоэлементных соединениях

Если в соединении неизвестны окислительные числа нескольких элементов, можно воспользоваться особым приемом: разбить химическую формулу на фрагменты с известными зарядами. Тогда решение можно найти сравнительно просто.

Продемонстрируем это на примере карбоната аммония (NH₄)₂CO₃. Это типичная ионная соль, состоящая из катионов NH₄⁺ и анионов CO₃²⁻.

В формуле присутствуют два катиона NH₄⁺ и один анион CO₃²⁻.

Окислительные числа для H (+1) и О (-2) известны.

Обозначим степень окисления N как x. Заряд NH₄⁺ равен «+1». На этой основе составляем уравнение:

x + 4⋅(+1) = +1;

x = -3.

Теперь переходим к анализу аниона CO₃²⁻. Пусть степень окисления C = y. Составляем и решаем уравнение:

y + 3⋅(−2) = −2;

y = +4.

Выполним проверку. Сумма степеней должна быть = 0.

Суммируем найденные значения, учитывая вхождения атомов в молекуле:

2 шт. N: 2⋅(−3)=−6;

8 шт. H: 8⋅(+1)=+8;

1 шт. C: +4;

3 шт. O: 3⋅(−2)=−6.

Суммируем: −6 + 8 + 4 − 6 = 0.

Условие нулевой суммы выполнено.

Ответ:

N: –3;

H: +1;

C: +4;

O: –2.

Как установить предельные (высшую и низшую) степени окисления

Высшей степенью принято называть максимально положительное окислительное число, низшей — максимально отрицательное. В этом интервале степени окисления элемента, участвующего в различных соединениях, могут принимать промежуточные значения.

Существует интересная закономерность: элементы, принадлежащие четным группам периодической системы, как правило, демонстрируют в соединениях четные степени окисления, а элементы из групп с нечетными номерами — нечетные.

Поэтому, чтобы определить высшую и низшую степени окисления, следует ориентироваться на место, которое занимает элемент в периодической таблице. Высшая степень окисления обычно равна номеру группы, в которой находится элемент (для главных подгрупп в короткой форме таблицы). Низшая степень окисления вычисляется как номер группы минус 8. Эти правила работают для большинства элементов, но есть исключения: F, O, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, He, Ne, Ar, Kr, Rn.

Для примера найдем высшую и низшую степень окисления для серы.

Максимальная положительная степень = +6. Она соответствует номеру группы, в которой находится сера (VIA (так называемые халькогены) или 16-я группа по современной нумерации). Примеры соединений: H₂SO₄ (серная кислота), SO₃ (оксид серы (VI)).

Минимальная отрицательная степень окисления для S = −2. Вычисляется по правилу «№ группы − 8»: 6 − 8 = −2. Примеры соединений с такой степенью: H₂S (сероводород), FeS (сульфид железа (II)).

В диапазоне от «+6» до «-2» для S возможны следующие значения:

−1: дисульфид железа (пирит) FeS₂ (в дисульфидном мостике S—S-связи степень окисления серы «−1»);
0: элементарная сера S₈ (простое вещество);
+1: дитиодихлорид S₂Cl₂ (в дисульфидном мостике S—S-связи сера +1);
+2: хлорид серы (II) SCl₂;
+4: диоксид серы SO₂; сульфиты Na₂SO₃.

Сера не проявляет степень окисления +3 или +5 в устойчивых, достоверно установленных соединениях.

Интересно отметить, что максимальная известная степень окисления «+9» обнаружена у иридия в ионе IrO₄⁺. Это как олимпийский чемпион среди окислительных состояний! Правда, в 2014 году в китайском Университете Фудань удалось получить катион тетраоксида платины [PtO₄]²⁺, в котором окислительное число платины достигает невероятных высот — целых «+10». Этот катион может существовать только в газовой фазе при сверхнизких давлениях и температурах. В обычных условиях он мгновенно распадается. Оба иона-рекордсмена были получены в одном и том же университете.

Благородный «аристократ» — газ ксенон — проявляет строптивый характер. Образно выражаясь, он ведет себя от «я не реагирую» до «держите меня семеро». Этот газ способен показывать такие значения, как «+8» (тетраоксид ксенона XeO₄), «+6» (триоксид ксенона XeO₃), «+4» (тетрафторид ксенона XeF₄), «+2» (дифторид ксенона XeF₂).

В экзотических экстремальных условиях даже щелочные металлы способны выходить за рамки дозволенного. Так, в некоторых интерметаллических соединениях и кластерах возникает неоднозначность в распределении заряда. В кластерных соединениях, в которых ядро образовано исключительно атомами натрия (Na), непосредственно связанными друг с другом химическими связями типа Na–Na, может появляться так называемая частичная степень окисления. Кроме того, в газовой фазе при высоких энергиях могут существовать короткоживущие частицы, где степень окисления щелочных металлов формально — не «+1». Но школьникам такие задачи решать не предлагается — это область высокой науки.

Как рассчитать степень окисления атомов углерода и других элементов в органике

Обязательное присутствие углерода с большим числом неполярных связей усложняет расчеты. Но если в формуле имеется только один такой атом, то можно применить стандартную схему.

Продемонстрируем на примере формиевой (муравьиной) кислоты HCO—OH.

Сразу можем написать два стандартных окислительных числа:

H: +1;

O: -2.

Теперь, как обычно, находим окислительное число x для C из уравнения (учитываем количество соответствующих элементов в формуле):

1 + x + (-2) + (-2) +1 = 0;

x = +2.

Ответ:

H (оба): +1;

C: +2;

O (оба): −2.

В случаях, когда атомов C несколько, следует провести анализ структурной формулы. Графическое представление существенно упрощает задачу.

Графический метод

Начертите схему, которая наглядно продемонстрирует структуру.

Все одинарные ковалентные σ-связи С−С считайте неполярными.

Стрелками обозначьте направления смещения электронной плотности, при этом в группах С−С стрелки не ставьте.

Теперь остается только пересчитать стрелки, ведущие к С (каждая из них означает «-1»).

Например, определим окислительные числа у каждого С, входящего в молекулу октана C₈H₁₈.

H H H H H H H H

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

H → С — С — С — С — С — С — С — С ← H

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

H H H H H H H H

Подсчитываем стрелки и получаем: у двух С степень «-3» и у шести «-2».

Как не путать валентность со степенью окисления? В чем их главные отличия?

Эти понятия обладают некоторыми похожими чертами, но при этом являются абсолютно разными, и путать их нельзя.

Валентность — это реальная характеристика, описываемая числом, не имеющим знака, в то время как степень окисления — условная величина (может иметь знак «плюс» или «минус» или являться нулевой) в конкретном соединении.

Во время вычисления степени окисления лучше вообще не обращать внимания на валентность, иначе легко запутаться и допустить ошибку. Так, в нитрате аммония NH₄NO₃ валентность обоих атомов азота одинакова и равна IV. Но в составе этого нитрата присутствуют два иона: катион аммония NH₄⁺ и нитрат-анион NO₃⁻. Стандартный расчет показывает, что в первом случае азот имеет степень окисления «-3», а во втором — «+5». Это абсолютно правильный ответ.

Следующая таблица демонстрирует основные отличия друг от друга таких понятий, как степень окисления, валентность, ЭО.

Тренировочные вопросы

В чем проявляется условность окислительного числа?

Какие значения характерны для степени окисления в простых веществах?

Как степень окисления связана с ЭО элемента?

Почему у F степень окисления всегда равна «−1», а у щелочных металлов всегда «+1»?

Приведите пример несовпадения численного значения степени окисления и валентности.

Дошкольная подготовка

Степень окисления элемента