Глава V. Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции. § 38. Степень окисления — с. 165
§ 38. Проверьте свои знания.
1. Дайте определение понятия «степень окисления».
Степень окисления — это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все ковалентные полярные связи превратились в ионные (то есть общие электронные пары полностью отданы более электроотрицательным атомам). Степень окисления имеет знак («+» или «−») и числовое значение; она может быть положительной, отрицательной или равной нулю (в простых веществах).
§ 38. Проверьте свои знания.
2. Назовите элементы с постоянной и переменной степенью окисления. Как соотносится положение химического элемента в таблице Д. И. Менделеева со значениями его степеней окисления?
Постоянную степень окисления в соединениях имеют: щелочные металлы IA-группы (+1), металлы IIA-группы (+2), алюминий (+3), фтор (−1); как правило, кислород (−2; исключения — пероксиды, где −1, и OF₂, где +2) и водород (+1 с неметаллами, −1 в гидридах металлов, например CaH₂).
Переменную степень окисления имеют многие другие элементы: хлор (−1, +1, +3, +5, +7), сера (−2, +2, +4, +6), азот, фосфор, углерод, марганец, железо и др.
Связь с положением в таблице: высшая (максимальная положительная) степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы (Cl +7, S +6, N +5, Mn +7). Низшая степень окисления у неметаллов равна номеру группы минус 8 (S: 6 − 8 = −2; Cl: 7 − 8 = −1; N: 5 − 8 = −3). У металлов низшая степень окисления равна 0.
Переменную степень окисления имеют многие другие элементы: хлор (−1, +1, +3, +5, +7), сера (−2, +2, +4, +6), азот, фосфор, углерод, марганец, железо и др.
Связь с положением в таблице: высшая (максимальная положительная) степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы (Cl +7, S +6, N +5, Mn +7). Низшая степень окисления у неметаллов равна номеру группы минус 8 (S: 6 − 8 = −2; Cl: 7 − 8 = −1; N: 5 − 8 = −3). У металлов низшая степень окисления равна 0.
§ 38. Примените свои знания.
3. Сравните понятия «степень окисления» и «валентность». Приведите примеры веществ, в которых величины валентности и степени окисления совпадают и различаются.
Валентность — число химических связей, которые образует атом в соединении (число общих электронных пар); она выражается положительным целым числом, не имеет знака и не может быть равна нулю у атома, связанного с другими. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; она имеет знак, может быть положительной, отрицательной, нулевой и даже дробной.
Совпадают по величине: в HCl (валентность Cl и H — I, степени окисления −1 и +1), в H₂O (валентность O — II, H — I; степени окисления −2 и +1), в CO₂ (C — IV, +4; O — II, −2).
Различаются: в N₂ валентность азота III, степень окисления 0; в O₂ валентность II, степень окисления 0; в H₂O₂ валентность кислорода II, степень окисления −1 (H–O–O–H); в CH₄ валентность углерода IV, степень окисления −4; в CO валентность углерода III, степень окисления +2.
Совпадают по величине: в HCl (валентность Cl и H — I, степени окисления −1 и +1), в H₂O (валентность O — II, H — I; степени окисления −2 и +1), в CO₂ (C — IV, +4; O — II, −2).
Различаются: в N₂ валентность азота III, степень окисления 0; в O₂ валентность II, степень окисления 0; в H₂O₂ валентность кислорода II, степень окисления −1 (H–O–O–H); в CH₄ валентность углерода IV, степень окисления −4; в CO валентность углерода III, степень окисления +2.
§ 38. Примените свои знания.
4. Рассчитайте степени окисления атомов химических элементов в веществах:
а) Na₂S; б) F₂; в) KNO₃; г) Ca₃P₂; д) BF₃.
а) Na₂S; б) F₂; в) KNO₃; г) Ca₃P₂; д) BF₃.
а) Na₂S: у натрия +1, значит 2·(+1) + x = 0, x(S) = −2.
б) F₂: простое вещество, степень окисления фтора равна 0.
в) KNO₃: K +1, O −2; (+1) + x + 3·(−2) = 0, x(N) = +5.
г) Ca₃P₂: Ca +2; 3·(+2) + 2x = 0, x(P) = −3.
д) BF₃: F −1; x + 3·(−1) = 0, x(B) = +3.
б) F₂: простое вещество, степень окисления фтора равна 0.
в) KNO₃: K +1, O −2; (+1) + x + 3·(−2) = 0, x(N) = +5.
г) Ca₃P₂: Ca +2; 3·(+2) + 2x = 0, x(P) = −3.
д) BF₃: F −1; x + 3·(−1) = 0, x(B) = +3.
§ 38. Примените свои знания.
5. Расположите формулы веществ в порядке увеличения степени окисления атома хлора: KClO₃, Cl₂, HClO₄, FeCl₃, Ca(ClO)₂, ClO₃, KClO₂.
Находим степень окисления хлора в каждом веществе.
KClO₃: +1 + x + 3·(−2) = 0, x = +5.
Cl₂: простое вещество, 0.
HClO₄: +1 + x + 4·(−2) = 0, x = +7.
FeCl₃: Fe +3, x = −1.
Ca(ClO)₂: Ca +2, группа ClO: 2 + 2x + 2·(−2) = 0, x = +1.
KClO₂: +1 + x + 2·(−2) = 0, x = +3.
ClO₃ (формула записана без заряда; при расчёте по нейтральной формуле x + 3·(−2) = 0, x = +6).
Порядок увеличения: FeCl₃ (−1) → Cl₂ (0) → Ca(ClO)₂ (+1) → KClO₂ (+3) → KClO₃ (+5) → ClO₃ (+6) → HClO₄ (+7).
Оговорка: если имеется в виду ион ClO₃⁻, то степень окисления хлора в нём +5 (как в KClO₃), и эти формулы стоят рядом.
KClO₃: +1 + x + 3·(−2) = 0, x = +5.
Cl₂: простое вещество, 0.
HClO₄: +1 + x + 4·(−2) = 0, x = +7.
FeCl₃: Fe +3, x = −1.
Ca(ClO)₂: Ca +2, группа ClO: 2 + 2x + 2·(−2) = 0, x = +1.
KClO₂: +1 + x + 2·(−2) = 0, x = +3.
ClO₃ (формула записана без заряда; при расчёте по нейтральной формуле x + 3·(−2) = 0, x = +6).
Порядок увеличения: FeCl₃ (−1) → Cl₂ (0) → Ca(ClO)₂ (+1) → KClO₂ (+3) → KClO₃ (+5) → ClO₃ (+6) → HClO₄ (+7).
Оговорка: если имеется в виду ион ClO₃⁻, то степень окисления хлора в нём +5 (как в KClO₃), и эти формулы стоят рядом.
§ 38. Примените свои знания.
6. При каких превращениях веществ степени окисления атомов увеличились, при каких — уменьшились:
а) HBr → Br₂; б) FeO → Fe₂O₃; в) S → ZnS; г) KMnO₄ → K₂MnO₄?
а) HBr → Br₂; б) FeO → Fe₂O₃; в) S → ZnS; г) KMnO₄ → K₂MnO₄?
а) HBr → Br₂: Br⁻¹ → Br⁰, степень окисления брома увеличилась (с −1 до 0).
б) FeO → Fe₂O₃: Fe⁺² → Fe⁺³, увеличилась (с +2 до +3).
в) S → ZnS: S⁰ → S⁻², уменьшилась (с 0 до −2).
г) KMnO₄ → K₂MnO₄: Mn⁺⁷ → Mn⁺⁶, уменьшилась (с +7 до +6).
б) FeO → Fe₂O₃: Fe⁺² → Fe⁺³, увеличилась (с +2 до +3).
в) S → ZnS: S⁰ → S⁻², уменьшилась (с 0 до −2).
г) KMnO₄ → K₂MnO₄: Mn⁺⁷ → Mn⁺⁶, уменьшилась (с +7 до +6).
§ 38. Используйте дополнительную информацию.
7. Назовите соединения, имеющие формулы: Na₂O, CaS, FeS, Ca₃N₂, Mg₂Si, CO, CCl₄.
Название бинарного соединения: «элемент-ид» (по более электроотрицательному элементу) + название второго элемента в родительном падеже + степень окисления римской цифрой, если она переменная.
Na₂O — оксид натрия;
CaS — сульфид кальция;
FeS — сульфид железа(II) (Fe +2, S −2);
Ca₃N₂ — нитрид кальция;
Mg₂Si — силицид магния;
CO — оксид углерода(II) (C +2);
CCl₄ — хлорид углерода(IV) (C +4, Cl −1).
Na₂O — оксид натрия;
CaS — сульфид кальция;
FeS — сульфид железа(II) (Fe +2, S −2);
Ca₃N₂ — нитрид кальция;
Mg₂Si — силицид магния;
CO — оксид углерода(II) (C +2);
CCl₄ — хлорид углерода(IV) (C +4, Cl −1).