Видеоурок 2: Степень окисления химических элементов
Видеоурок 3: Валентность. Определение валентности
Лекция: Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов
Электроотрицательность
Электроотрицательность – это способность атомов притягивать к себе электроны других атомов для соединения с ними.
Судить об электроотрицательности того или иного химического элемента легко по таблице. Вспомните, на одном из наших уроков было сказано о том, что она возрастает при движении слева направо по периодам в таблице Менделеева и с перемещением снизу вверх по группам.
К примеру, дано задание определить какой элемент из предложенного ряда наиболее электроотрицателен: C (углерод), N (азот), O (кислород), S (сера)? Смотрим по таблице и находим, что это О, потому что он правее и выше остальных.
Какие же факторы оказывают влияние на электроотрицательность? Это:
- Радиус атома, чем он меньше, тем электроотрицательность выше.
- Заполненность валентной оболочки электронами, чем их больше, тем выше электроотрицательность.
Из всех химических элементов фтор является наиболее электроотрицательным, потому как у него малый атомный радиус и на валентной оболочке 7 электронов.
К элементам, имеющим низкую электроотрицательность, относятся щелочные и щелочноземельные металлы. У них большие радиусы и очень мало электронов на внешней оболочке.
Значения электроотрицательности атома не могут быть постоянными, т.к. она зависит от многих факторов в числе которых перечисленные выше, а также степень окисления, которая может быть различной у одного и того же элемента. Поэтому принято говорить об относительности значений электроотрицательности. Вы можете пользоваться следующими шкалами:
Значения электроотрицательности вам понадобятся при записи формул бинарных соединений, состоящих из двух элементов. К примеру, формула оксида меди Cu 2 O - первым элементом следует записывать тот, чья электроотрицательность ниже.
В момент образования химической связи если разница электроотрицательности между элементами больше 2,0 образуется ковалентная полярная связь, если меньше, ионная.
Степень окисления
Степень окисления (СО) – это условный или реальный заряд атома в соединении: условный – если связь ковалентная полярная, реальный – если связь ионная.
Атом приобретает положительный заряд при отдаче электронов, а отрицательный заряд – при принятии электронов.
Степени окисления записываются над символами со знаком «+»/«-» . Есть и промежуточные СО. Максимальная СО элемента положительная и равна № группы, а минимальная отрицательная для металлов равна нулю, для неметаллов = (№ группы – 8) . Элементы с максимальной СО только принимают электроны, а с минимальной, только отдают. Элементы же, имеющие промежуточные СО могут и отдавать и принимать электроны.
Рассмотрим некоторые правила, которыми стоит руководствоваться для определения СО:
СО всех простых веществ равна нулю.
Равна нулю и сумма всех СО атомов в молекуле, так как любая молекула электронейтральна.
В соединениях с ковалентной неполярной связью СО равна нулю (О 2 0), а с ионной связью равна зарядам ионов (Na + Cl - СО натрия +1, хлора -1). СО элементов соединений с ковалентной полярной связью рассматриваются как с ионной связью (H:Cl = H + Cl - , значит H +1 Cl -1).
Элементы в соединении, имеющие наибольшую электроотрицательность, имеют отрицательные степени окисления, если наименьшую положительные. Исходя из этого можно сделать вывод, что металлы имеют только «+» степень окисления.
Постоянные степени окисления :
Водород +1. Исключение: гидриды активных металлов NaH, CaH 2 и др., где степень окисления водорода равна –1.
Кислород –2. Исключение: F 2 -1 O +2 и пероксиды, которые содержат группу –О–О–, в которой степень окисления кислорода равна –1.
Щелочные металлы +1.
Все металлы второй группы +2. Исключение: Hg +1, +2.
Алюминий +3.
Когда образуется ионная связь, происходит определенный переход электрона, от менее электроотрицательного атома к атому большей электроотрицательности. Так же, в данном процессе, атомы всегда теряют электронейтральность и впоследствии превращаются в ионы. Так же образуются целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи, электрон переходит только частично, поэтому возникают частичные заряды.
ВалентностьВалентность – это способность атомов образовать n - число химических связей с атомами других элементов.
А еще валентность – это способность атома удержать другие атомы возле себя. Как вам известно из школьного курса химии, разные атомы связываются друг с другом электронами внешнего энергетического уровня. Неспаренный электрон ищет для себя пару у другого атома. Эти электроны внешнего уровня называются валентными. Значит валентность можно определить и как число электронных пар, связывающих атомы друг с другом. Посмотрите структурную формулу воды: Н – О – Н. Каждая черточка – это электронная пара, значит показывает валентность, т.е. кислород здесь имеет две черточки, значит он двухвалентен, от молекул водорода исходят по одной черточке, значит водород одновалентен. При записи валентность обозначается римскими цифрами: О (II), Н (I). Может указываться и над элементом.
Валентность бывает постоянной либо переменной. К примеру, у щелочей металлов она постоянна и равняется I. А вот хлор в различных соединениях проявляет валентности I, III, V, VII.
Как определить валентность элемента?
Вновь обратимся к Периодической таблице. Постоянная валентность у металлов главных подгрупп, так металлы первой группы имеют валентность I, второй II. А у металлов побочных подгрупп валентность переменная. Также она переменная и у неметаллов. Высшая валентность атома равна № группы, низшая равна = № группы - 8. Знакомая формулировка. Не означает ли это то, что валентность совпадает со степенью окисления. Помните, валентность может совпадать со степенью окисления, но данные показатели не тождественны друг другу. Валентность не может иметь знака =/-, а также не может быть нулевой.
Второй способ определения валентности по химической формуле, если известна постоянная валентность одного из элементов. Например, возьмем формулу оксида меди: CuО. Валентность кислорода II. Видим, что на один атом кислорода в данной формуле приходится один атом меди, значит и валентность меди равна II. А теперь возьмем формулу посложнее: Fe 2 O 3 . Валентность атома кислорода равна II. Таких атомов здесь три, умножаем 2*3 =6. Получили, что на два атома железа приходится 6 валентностей. Узнаем валентность одного атома железа: 6:2=3. Значит валентность железа равна III.
Кроме того, когда необходимо оценить "максимальную валентность", всегда следует исходить из электронной конфигурации, которая имеется в «возбужденном» состоянии.
| | |
Для характеристики окислительно-восстановительной способности частиц важное значение имеет такое понятие, как степень окисления. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – это заряд, который мог бы возникнуть у атома в молекуле или ионе, если бы все его связи с другими атомами оказались разорваны, а общие электронные пары ушли с более электроотрицательными элементами.
В отличие от
реально существующих зарядов у ионов,
степень окисления показывает лишь
условный заряд атома в молекуле. Она
может быть отрицательной, положительной
и нулевой. Например, степень окисления
атомов в простых веществах равна «0»
(,
,
,
).
В химических соединениях атомы могут
иметь постоянную степень окисления или
переменную. У металлов главных подгруппI,
II
и III
групп Периодической системы в химических
соединениях степень окисления, как
правило, постоянна и равна соответственно
Ме +1 ,
Ме +2
и Ме +3
(Li + ,
Ca +2 ,
Al +3).
У атома фтора всегда -1. У хлора в
соединениях с металлами всегда -1. В
подавляющем числе соединений кислород
имеет степень окисления -2 (кроме
пероксидов, где его степень окисления
-1), а водород +1(кроме гидридов металлов,
где его степень окисления -1).
Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю, а в ионе – заряду иона. Эта взаимосвязь позволяет рассчитывать степени окисления атомов в сложных соединениях.
В молекуле серной
кислоты H 2 SO 4
атом водорода имеет степень окисления
+1, а атом кислорода -2. Так как атомов
водорода два, а атомов кислорода четыре,
то мы имеем два «+» и восемь «-». До
нейтральности не хватает шесть «+».
Именно это число и является степенью
окисления серы -
.
Молекула дихромата калияK 2 Cr 2 O 7
состоит из двух атомов калия, двух атомов
хрома и семи атомов кислорода. У калия
степень окисления всегда +1, у кислорода
-2. Значит, мы имеем два «+» и четырнадцать
«-». Оставшиеся двенадцать «+» приходятся
на два атома хрома, у каждого из которых
степень окисления равна +6 (
).
Типичные окислители и восстановители
Из определения процессов восстановления и окисления следует, что, в принципе, в роли окислителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в низшей степени окисления и поэтому могут понижать свою степень окисления. Аналогично в роли восстановителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в высшей степени окисления и поэтому могут повышать свою степень окисления.
К наиболее сильным окислителям относятся:
1) простые вещества, образуемые атомами, имеющими большую электроотрицательность, т.е. типичные неметаллы, расположенные в главных подгруппах шестой и седьмой групп периодической системы: F, O, Cl, S (соответственно F 2 , O 2 , Cl 2 , S);
2) вещества, содержащие элементы в высших и промежуточных
положительных степенях окисления, в том числе в виде ионов, как простых, элементарных (Fe 3+), так и кислородосодержащих, оксоанионов (перманганат-ион - MnO 4 -);
3) перекисные соединения.
Конкретными
веществами, применяемыми на практике
в качестве окислителей, являются кислород
и озон, хлор, бром, перманганаты, дихроматы,
кислородные кислоты хлора и их соли
(например,
,
,
),
азотная кислота (
),
концентрированная серная кислота
(
),
диоксид марганца (
),
пероксид водорода и пероксиды металлов
(
,
).
К наиболее сильным восстановителям относятся:
1)простые вещества, атомы которых имеют низкую электроотрицательность («активные металлы»);
2) катионы металлов в низжих степенях окисления (Fe 2+);
3) простые элементарные анионы, например, сульфид-ион S 2- ;
4) кислородосодержащие
анионы (оксоанионы), соответствующие
низшим положительным степеням окисления
элемента (нитрит
,
сульфит
).
Конкретными
веществами, применяемыми на практике
в качестве восстановителей, являются,
например, щелочные и щелочноземельные
металлы, сульфиды, сульфиты, галогенводороды
(кроме HF),
органические вещества – спирты,
альдегиды, формальдегид, глюкоза,
щавелевая кислота, а также водород,
углерод, моноксид углерода (
)
и алюминий при высоких температурах.
В принципе, если в состав вещества входит элемент в промежуточной степени окисления, то эти вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Все зависит от
«партнера» по реакции: с достаточно сильным окислителем оно может реагировать как восстановитель, а с достаточно сильным восстановителем – как окислитель. Так, например, нитрит-ион NO 2 - в кислой среде выступает в роли окислителя по отношению к иону I - :
2
+
2
+ 4HCl→
+
2
+ 4KCl
+ 2H 2 O
и в роли восстановителя по отношению к перманганат-иону MnO 4 -
5
+
2
+ 3H 2 SO 4
→ 2
+
5
+K 2 SO 4
+ 3H 2 O
В химических процессах главную роль играют атомы и молекулы, свойства которых определяют исход химических реакций. Одной из важных характеристик атома является окислительное число, которое упрощает метод учета переноса электронов в частице. Как определить степень окисления или формальный заряд частицы и какие правила необходимо знать для этого?
Любая химическая реакция обусловлена взаимодействием атомов различных веществ. От характеристик мельчайших частиц зависит процесс реакции и ее результат.
Термин окисление (оксидация) в химии означает реакцию, в ходе которой группа атомов или один из них теряют электроны или приобретают, в случае приобретения реакцию называют «восстановлением».
Степень окисления – это величина, которая измеряется количественно и характеризует перераспределяемые электроны в ходе реакции . Т.е. в процессе оксидации электроны в атоме уменьшаются или увеличиваются, перераспределяясь между другими взаимодействующими частицами, и уровень оксидации показывает, как именно они реорганизуются. Данное понятие тесно связано с электроотрицательностью частиц – их умением притягивать и отталкивать от себя свободные ионы.
Определение уровня оксидации зависит от характеристик и свойств конкретного вещества, поэтому нельзя однозначно назвать процедуру вычисления легкой или сложной, но ее результаты помогают условно записать процессы окислительно-восстановительных реакций. Следует понимать, что полученный результат вычислений является результатом учета переноса электронов и не имеет физического смысла, а также не является истинным зарядом ядра.
Важно знать ! Неорганическая химия часто использует термин валентности вместо степени окисления элементов, это не является ошибкой, но следует учитывать, что второе понятие более универсальное.
Понятия и правила вычислений движения электронов являются основой для классификации химических веществ (номенклатура), описания их свойств и составления формул связи. Но наиболее часто данное понятие используется для описания и работы с окислительно-восстановительными реакциями.
Правила определения степени окисления
Как узнать степень окисления? При работе с окислительно-восстановительными реакциями важно знать, что формальный заряд частицы всегда будет равен величине электрона, выраженного в числовом значении. Эта особенность связана с тем предположением, что электронные пары, образующие связь, всегда полностью смещаются в сторону более отрицательных частиц. Следует понимать, что речь идет об ионных связях, а в случае реакции при электроны будут делиться поровну между одинаковыми частицами.
Окислительное число может иметь как положительные, так и отрицательные значения. Все дело в том, что в процессе реакции атом должен стать нейтральным, а для этого нужно либо присоединить к иону некое количество электронов, если он положительный, либо отнять их, если он отрицательный. Для обозначения данного понятия при записи формулы обычно прописывают над обозначением элемента арабскую цифру с соответствующим знаком. Например, или и т.д.
Следует знать, что формальный заряд металлов всегда будет положительным, а в большинстве случаев, чтобы определить его, можно воспользоваться таблицей Менделеева. Существует ряд особенностей, которые необходимо учитывать, чтобы определять показатели правильно.
Степень оксидации:
Запомнив эти особенности, достаточно просто будет определять окислительное число у элементов, независимо от сложности и количества уровней атомов.
Полезное видео: определение степени окисления
Периодическая таблица Менделеева содержит почти всю необходимую информацию для работы с химическими элементами. Например, школьники используют только ее для описания химических реакций. Так, чтобы определить максимальные положительные и отрицательные значения окислительного числа необходимо свериться с обозначением химического элемента в таблице:
- Максимально положительное – это номер группы, в которой находится элемент.
- Максимально отрицательная степень окисления – это разница между максимально положительной границей и числом 8.
Таким образом, достаточно просто узнать крайние границы формального заряда того или иного элемента. Такое действие можно совершить с помощью вычислений на основе таблицы Менделеева.
Важно знать ! У одного элемента могут быть одновременно несколько различных показателей оксидации.
Различают два основных способа определения уровня оксидации, примеры которых представлены ниже. Первый из них – это способ, который требует знаний и умений применять законы химии. Как расставлять степени окисления с помощью этого способа?
Правило определения степеней окисления
Для этого необходимо:
- Определить, является ли данное вещество элементарным и находится ли оно вне связи. Если да, то его окислительное число будет равно 0, независимо от состава вещества (отдельные атомы или многоуровневые атомные соединения).
- Определить, состоит ли рассматриваемое вещество из ионов. Если да, то степень оксидации будет равна их заряду.
- Если рассматриваемое вещество металл, то посмотреть на показатели других веществ в формуле и вычислить показания металла путем арифметических действий.
- Если все соединение имеет один заряд (по сути это сумма всех частиц представленных элементов), то достаточно определить показатели простых веществ, затем вычесть их от общей суммы и получить данные металла.
- Если связь нейтральная, то общая сумма должна быть равна нулю.
Для примера можно рассмотреть объединение с ионом алюминия, чей общий заряд равен нулю. Правила химии подтверждают тот факт, что ион Cl имеет окислительное число -1, а в данном случае их три в соединении. Значит ион Al должен быть равен +3, чтобы все соединение было нейтральным.
Этот способ весьма хорош, поскольку правильность решения всегда можно проверить, если сложить все уровни оксидации вместе.
Второй метод можно применять без знания химических законов:
- Найти данные частиц, по отношению к которым нет строгих правил и точное количество их электронов неизвестно (можно путем исключения).
- Выяснить показатели всех прочих частиц и после из общей суммы путем вычитания найти нужную частицу.
Рассмотрим второй метод на примере вещества Na2SO4, в котором не определен атом серы S, известно лишь, что он отличен от нуля.
Чтобы найти, чему равны все степени окисления необходимо:
- Найти известные элементы, помня о традиционных правилах и исключениях.
- Ион Na = +1, а каждый кислород = -2.
- Умножить количество частиц каждого вещества на их электроны и получить степени оксидации всех атомов, кроме одного.
- В Na2SO4 состоят 2 натрия и 4 кислорода, при умножении получается: 2 X +1 = 2 – это окислительное число всех частиц натрия и 4 X -2 = -8 – кислородов.
- Сложить полученные результаты 2+(-8) =-6 – это общий заряд соединения без частицы серы.
- Представить химическую запись в виде уравнения: сумма известных данных + неизвестное число = общий заряд.
- Na2SO4 представлено следующим образом: -6 + S = 0, S = 0 + 6, S = 6.
Таким образом, чтобы использовать второй метод, достаточно знать простые законы арифметики.
Таблица оксидации
Для простоты работы и вычисления показателей оксидации для каждого химического вещества используют специальные таблицы, где прописаны все данные.
Она выглядит следующим образом:
Полезное видео: учимся определять степень окисления по формулам
Вывод
Нахождение степени окисления для химического вещества – это простое действие, которое требует лишь внимательности и знания основных правил и исключений. Зная исключения и пользуясь специальными таблицами, это действие не будет занимать много времени.
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.
Понятие степени окисления химического элементаСтепень окисления – это условная величина, с помощью которой принято описывать окислительно-восстановительные реакции. Численно она равна количеству электронов, которое отдает атом приобретающий положительный заряд, или количеству электронов, которое присоединяет к себе атом, приобретающий отрицательный заряд.
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:
- Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
- Щелочные металлы, которые находятся в первой группе периодической таблицы, имеют степень окисления +1.
- Щелочноземельные металлы, занимающие в периодической таблице вторую группу, имеют степень окисления +2.
- Водород в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, а в соединениях с металлами +1.
- Степень окисления молекулярного кислорода во всех соединениях, рассматриваемых в школьном курсе неорганической химии, равна -2. Фтора -1.
- 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.
- 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.
Химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный тип.
Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, а в ионе - заряду иона .
1. Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные.
2. Высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au +3 (I группа), Cu +2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru .
3. Степени окисления неметаллов зависят от того, с каким атомом он соединён:
- если с атомом металла, то степень окисления отрицательная;
- если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов.
4. Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.
5. Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.
Элементы с неизменными степенями окисления.
|
Элемент |
Характерная степень окисления |
Исключения |
|
Гидриды металлов: LIH -1 |
||
|
Степенью окисления называют условный заряд частицы в предположении, что связь полностью разорвана (имеет ионных характер). H - Cl = H + + Cl - , Связь в соляной кислоте ковалентная полярная. Электронная пара в большей степени смещена в сторону атома Cl - , т.к. он более электроотрицацельный элемент. Как определить степень окисления?Электроотрицательность - это способность атомов притягивать к себе электроны других элементов. Степень окисления указывается над элементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 , K + Cl - и т.д. Она может быть отрицательной и положительной. Степень окисления простого вещества (несвязанное, свободное состояние) равна нулю. Степень окисления кислорода у большинстве соединений равна -2 (исключение составляют пероксиды Н 2 О 2 , где она равна -1 и соединения с фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ). - Степень окисления простого одноатомного иона равна его заряду: Na + , Ca +2 . Водород в своих соединениях имеет степень окисления равную +1 (исключения составляют гидриды - Na + H - и соединения типа C +4 H 4 -1 ). В связях «металл-неметалл» отрицательную степень окисления имеет тот атом, который обладает большей электрооприцательностью (данные об элеткроотрицательности приведены в шкале Полинга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - и т.д. Правила определения степени окисления в химических соединениях.Возьмем соединение KMnO 4 , необходимо определить степень окисления у атома марганца. Рассуждения:
К + Mn X O 4 -2 Пусть Х - неизвестная нам степень окисления марганца. Количество атомов калия - 1, марганца - 1, кислорода - 4. Доказано, что молекула в целом электронейтральна, поэтому ее общий заряд должен быть равен нулю. 1*(+1) + 1*(X ) + 4(-2) = 0, Х = +7, Значит, степень окисления марганца в перманганате калия = +7. Возьмем другой пример оксида Fe 2 O 3 . Необходимо определить степень окисления атома железа. Рассуждение:
2*(Х) + 3*(-2) = 0, Вывод: степень окисления железа в данном оксиде равна +3. Примеры. Определить степени окисления всех атомов в молекуле. 1. K 2 Cr 2 O 7 . Степень окисления К +1 , кислорода О -2 . Учитывая индексы: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2). Т.к. алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, то число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Степени окисления К+О=(-14)+(+2)=(-12). Из этого следует, что у атома хрома число положительных степеней равно 12, но атомов в молекуле 2, значит на один атом приходится (+12):2=(+6). Ответ: К 2 + Cr 2 +6 O 7 -2 . 2. (AsO 4) 3- . В данном случае сумма степеней окисления будет равна уже не нулю, а заряду иона, т. е. - 3. Составим уравнение: х+4×(- 2)= - 3 . Ответ: (As +5 O 4 -2) 3- . |