Во многих реакциях происходит перемещение электронов от одних частиц к другим. Это особый вид химического взаимодействия – окислительно-восстановительные реакции. Примером таких реакций являются процессы горения, фотосинтеза в растениях, дыхание, метаболические процессы в живых организмах, коррозия металлов и другие.
Окислительно-восстановительными называются такие химические реакции, при которых изменяются степени окисления у атомов одного или нескольких элементов, входящих в состав исходных веществ.
Условные заряды, которые возникли бы на атомах при условии образования между ними ионной связи, называются степенью окисления.
Степень окисления может иметь отрицательное, положительное, нулевое и дробное значения. Она записывается над символом элемента арабской цифрой со знаком «+» или «–» перед ней, например:
Степень окисления отличается от заряда иона: заряды ионов записываются арабскими цифрами со знаком «+» или «–» после цифры и размещаются вверху справа от символов химических элементов, например, Mg2+, Cl–, PO43–.
Для нахождения степени окисления атомов в соединениях используют несколько правил.
Атомы элементов в простом веществе имеют нулевую степень окисления, ст. ок. = 0, например: N20, O30, S80, P40, Ne0.
Степень окисления кислорода в сложных соединениях равна – 2, за исключением пероксидов (Н2О2–1, Na2O2–1), озонидов (КО3–1/3), надпероксидов (К2О4–1/2), фторидов кислорода (O+2F2, O2+1F2).
Водород в сложных соединениях имеет степень окисления +1 (Н2+1O, Н+1F, Н3+1РО4), кроме гидридов активных металлов: CaH2–1, NaH–1.
Фтор F как наиболее электроотрицательный элемент в сложных соединениях проявляет степень окисления –1, например: AlF3–1, SOF2–1, OF2–1.
Степень окисления атомов щелочных металлов (Li, Na, K и др.) в сложных соединениях равна +1 (рис. 5.8), а щелочноземельных (Ca, Sr, Ba) – +2.
Рисунок 5.8 – Степени окисления s- и p-элементов (порядковые № 1–20)
В нейтральных молекулах алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов равна нулю (рис. 5.9 а), а в ионе – заряду иона (рис. 5.9 б). По этому правилу можно определить степень окисления атомов любого элемента в молекуле или ионе. Например, степени окисления атомов S и Cr в молекуле BaSO4 и ионе Cr2O72– можно рассчитать с помощью алгебраических уравнений с одним неизвестным:
Рисунок 5.9 – Схема алгоритма определения неизвестной степени окисления: а) молекулы СО2; б) иона SО42–.
Высшая (максимальная) степень окисления для большинства элементов определяется по номеру группы периодической системы: max. ст. ок. = номер группы. Так, марганец находится в седьмой группе, поэтому его высшая степень окисления равна +7. Исключением из этого правила является подавляющее большинство d-элементов (рис. 5.10), а также такие элементы (в скобках отмечена их max ст. ок.): кислород (+2), фтор (0), бром (+5), криптон (+2).
Рисунок 5.10 – Степени окисления d-элементов
Низшая (минимальная) степень окисления для атомов элементов ІVА–VІІА-подгрупп рассчитывается из соотношения: min. ст. ок. = (номер группы–8), например, для элемента VІА-подгруппы селена (Se) низшая степень окисления равна 6 – 8 = –2. Для d-элементов низшая степень окисления равняется нулю.
Пример 5.1. Рассчитайте степени окисления элементов в соединениях: РH3, SO2, NH4NO3, Na2HPO4.
Решение. В фосфине РH3 атомы водорода проявляют постоянную степень окисления +1, значит, сумма степеней окисления всех атомов Н равна +1.3 = +3. Атом фосфора должен проявлять одинаковую по абсолютной величине, но противоположную по знаку степень окисления, т. е. –3. Получаем: Р-3H+13.
В оксиде серы (IV) SO2 степень окисления кислорода равна –2, тогда в сумме на двух атомах О должно быть –2?2 = –4, а на S – противоположная по знаку степень окисления, т. е. +4. Значит, имеем S+4O2–2.
В гидроортофосфате натрия Na2HPO4 постоянные степени окисления проявляют элементы Na (+1),
H (+1), О (–2). Составим простейшее уравнение, обозначив через х степень окисления атома Р:
3·(+1) + 1·(+1) + х + 4·(–2) = 0,
отсюда х = +5.
Следовательно, Na2+1H+1P+5O4–2.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
исключение
виняток
exception
exception
??????? , ???
, ????? , ?????
заряд
заряд
charge
charge
????
высший
вищий (максимальний)
highest
sup?rieur
????
низший
нижчий (мінімальний)
lowest
inf?rieur
?????
соединение
сполука
compound
compos?
???
Контрольные вопросы
Что называется степенью окисления?
Расскажите правила для определения степеней окисления.
Какую степень окисления имеют атомы элементов в простых соединениях?
Какие элементы проявляют постоянные степени окисления в сложных соединениях? Приведите примеры.
Какие степени окисления проявляют водород и кислород в сложных соединениях?
Какие степени окисления в сложных соединениях характерны для таких металлов: Na, Cs, Be, Mg, Al, Li, K, Ba, Cd, Zn, Rb?
Какую степень окисления проявляет фтор F в сложных соединениях?
Какую степень окисления проявляют инертные элементы?
Как определить максимальную степень окисления элементов?
Какая степень окисления называется минимальной? Как рассчитать минимальную степень окисления?
Какими могут быть максимальная и минимальная степени окисления таких элементов: N, S, Cl, Mn, Cr, Si, P, Se, As, Ga, V, Ti, Hg, Ge?
Чему равны суммы степеней окисления всех атомов, которые входят в состав молекулы, иона?
Задания для самостоятельной работы
Вычислите степень окисления каждого элемента в соединениях:
а) , , , , , , , , ;
б) , , , , , ;
в) , , , , , ;
г) , , , , , ;
д) , , , , , , ;
е) , , , ;
ж) , , , , , , ;
з) , , , ;
и) , , , , , , , ;
к) , , , , , , , .
Вычислите степень окисления каждого элемента в ионах: , , , , , , , , , , , , , , , , , .
Как называется условный заряд на атоме в молекуле, который определяется на основании допущения, что все связи между атомами являются ионными: а) заряд иона; б) степень окисления; в) ковалентность; г) стехиометрическая валентность?
Какой основной признак характерен для окислительно-восстановительных реакций:
а) образование нескольких веществ из одного, имеющего более сложный состав;
б) образование одного сложного вещества в результате соединения нескольких простых; в) изменение степеней окисления атомов одного или нескольких элементов;
г) укрепление связей между атомами?
Какая из перечисленных реакций относится к окислительно-восстановительным:
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
H2SO3; б) NaCl + H2SO4