Главная / Теоретические основы / Степень окисления и валентность

Степень окисления и валентность

1. Определения: в чём главная разница?

Определение

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома в соединении. Вычисляется из предположения, что все связи являются ионными (электроны полностью отданы более электроотрицательному атому).

Бывает: положительной (+), отрицательной (-) или равной нулю (0).
Пишется над элементом: знак, потом цифра (например, +2, -3).
Может быть дробной (например, у Fe в Fe₃O₄ СО равна +8/3).

Определение

Валентность — это реальное число ковалентных химических связей, которые данный атом образует с другими атомами. Не зависит от перетягивания электронов.

Не имеет знака (не бывает плюса или минуса).
Обозначается римскими цифрами (I, II, III...).
Никогда не бывает равна 0 и не бывает дробной.

2. Правила вычисления степени окисления

Правило	Описание
Правило ноля	Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна 0. А в комплексном ионе эта сумма равна заряду иона.
Простые вещества	Степень окисления в любых простых веществах всегда равна 0 (O₂, Fe, P₄, S₈, H₂).
Фтор (F)	Высший хищник таблицы. Имеет постоянную степень окисления -1 во всех сложных соединениях. Никогда не отдает электроны.
Щелочные и щел.-зем. металлы	Металлы IA группы (Li, Na, K, Rb, Cs) всегда +1. Металлы IIA группы (Mg, Ca, Sr, Ba), а также Be, Zn, Cd всегда +2. Алюминий (Al) всегда +3.
Кислород (O)	Обычно равен -2 (в большинстве соединений). Исключения: пероксиды (H₂O₂) -1; надпероксиды (KO₂) -1/2; фторид кислорода (OF₂) +2.
Водород (H)	С неметаллами всегда +1 (т.к. водород слабее). С активными металлами в гидридах -1 (NaH, CaH₂).

Примеры нахождения степеней окисления

Для определения степени окисления элемента в сложном веществе можно составить простое уравнение. Пусть x — это искомая степень окисления. Нажмите на пример, чтобы посмотреть решение шаг за шагом.

Пример 1: Перманганат калия (KMnO₄)

У калия (K) как у щелочного металла СО постоянная: +1.
У кислорода (O) обычно СО равна: -2.
Составим уравнение по правилу электронейтральности (сумма всех СО равна 0):

                            K+1Mn+xO4-2

                            (+1) + x + 4 · (-2) = 0

                            1 + x - 8 = 0

                            x - 7 = 0

                            x = +7

Ответ: Степени окисления: K⁺¹Mn⁺⁷O₄^-2.

Пример 2: Дихромат калия (K₂Cr₂O₇)

У калия (K): +1.
У кислорода (O): -2.
Пусть у хрома СО равна x. Атомов хрома два, поэтому пишем 2x.

                            K2+1Cr2+xO7-2

                            2 · (+1) + 2x + 7 · (-2) = 0

                            2 + 2x - 14 = 0

                            2x - 12 = 0

                            2x = 12

                            x = +6

Ответ: K₂⁺¹Cr₂⁺⁶O₇^-2.

Пример 3: Ион аммония (NH₄⁺)

Это заряженный ион (катион), поэтому сумма СО равна заряду иона: +1.
У водорода (H) с неметаллами: +1.
Пусть у азота СО равна x.

                            (NxH4+1)+1

                            x + 4 · (+1) = +1

                            x + 4 = 1

                            x = -3

Ответ: (N^-3H₄⁺¹)⁺¹.

Вопрос 1: Расчет в сложной молекуле

Проверка

Определите сумму степеней окисления всех атомов кислорода в дихромате калия ($K_2Cr_2O_7$).

Ответ: -14.

Пояснение: В подавляющем большинстве соединений степень окисления кислорода равна -2. В формуле дихромата калия содержится 7 атомов кислорода: $7 \times (-2) = -14$.

Вопрос 2: Положительный кислород

Проверка

В каких из перечисленных соединений степень окисления кислорода положительная: $H_2O_2$, $OF_2$, $O_2$, $O_2F_2$?

Ответ: $OF_2$ и $O_2F_2$.

Пояснение: Кислород проявляет положительную степень окисления только в соединениях с более электроотрицательным фтором. Во фториде кислорода(II) $OF_2$ она равна +2, а в диоксидифториде $O_2F_2$ равна +1.

3. Максимальная степень окисления переходных металлов

У переходных металлов (d-элементов) валентные электроны находятся на внешнем s-подуровне и предвнешнем d-подуровне.

Группа	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Элемент	Cu	Zn	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe, Co, Ni
Высшая СО	+2 (+3*)	+2	+3	+4	+5	+6	+7	Fe (+6, +3, +2) Co (+3, +2) Ni (+2)

* Редкие или неустойчивые степени окисления.

Вопрос 1: Анализ угарного газа

Проверка

Совпадают ли численные значения степени окисления и валентности углерода в молекуле угарного газа ($CO$)?

Ответ: Нет, не совпадают.

Пояснение: Степень окисления углерода равна +2 (кислород оттягивает электроны), а валентность равна III, так как в молекуле образуется тройная связь (одна из связей — по донорно-акцепторному механизму).

Вопрос 2: Нулевая степень окисления

Проверка

Выберите все вещества, в которых центральный атом углерода имеет валентность IV, но степень окисления 0: $CH_4$, $C$ (графит), $CH_2Cl_2$, $CO_2$.

Ответ: $CH_2Cl_2$ (дихлорметан) и $C$ (графит).

Пояснение: В простом веществе (графите) степень окисления всегда 0. В дихлорметане углерод образует 4 связи. Более электроотрицательный хлор оттягивает по 1 электрону (заряд -2), а водород отдает углероду по 1 электрону (заряд +2). В сумме формальный заряд углерода равен 0.

4. Степени окисления p-элементов (неметаллов)

Выберите неметалл, чтобы посмотреть характерные для него степени окисления и соединения:

Степени окисления Азота (N)

Максимальная валентность = IV (из-за отсутствия d-подуровня).
Максимальная степень окисления = +5.

СО	Оксид	Гидроксид / Кислота	Соль	Анион
+5 (высшая)	N₂O₅	HNO₃	NaNO₃	NO₃^- (нитрат)
+4	NO₂	-	-	-
+3	N₂O₃	HNO₂	NaNO₂	NO₂^- (нитрит)
+2	NO	-	-	-
+1	N₂O	-	-	-
-3 (низшая)	NH₃ (аммиак)	NH₄OH (гидрат)	NH₄Cl	- (катион NH₄⁺)

Степени окисления Фосфора (P)

Примечание: Мышьяк (As) проявляет химические свойства, во многом схожие со свойствами фосфора, и имеет аналогичные степени окисления и формы соединений.

СО	Оксид	Гидроксид	Соль	Анион
+5	P₂O₅	HPO₃, H₃PO₄	Na₃PO₄	PO₄^3- (фосфат)
+3	P₂O₃	H₃PO₃	Na₂HPO₃	HPO₃^2- (фосфит)
+1	-	H₃PO₂	NaH₂PO₂	H₂PO₂^- (гипофосфит)
-3	PH₃ (фосфин)	-	Na₃P	P^3- (фосфид)

Степени окисления Углерода (C)

СО	Вещества / Ионы	Примеры (Органика)
+4	CO₂, H₂CO₃, CO₃^2-	CCl₄, COCl₂ (фосген)
+3	-	Щавелевая кислота (HOOC-COOH)
+2	CO (угарный газ), HCOOH (форм. к-та)	Хлороформ CHCl₃ (у С +2)
0	C (графит, алмаз), HCHO (формальдегид)	-
-1	-	C₂H₂ (ацетилен)
-2	CH₃OH (метанол)	C₂H₄ (этилен)
-3	C₂H₆ (этан)	-
-4	CH₄ (метан), Al₄C₃	-

Степени окисления Кремния (Si)

Примечание: Германий (Ge) проявляет химические свойства, во многом схожие со свойствами кремния, и имеет аналогичные степени окисления.

СО	Оксид / Гидрид	Кислота	Соль	Анион
+4	SiO₂ (кремнезем, песок)	H₂SiO₃ (кремниевая)	Na₂SiO₃ (силикат)	SiO₃^2-
-4	SiH₄ (силан)	-	Mg₂Si (силицид)	Si^4-

Степени окисления Бора (B)

СО	Оксид	Кислота	Соль	Анион
+3	B₂O₃	H₃BO₃ (борная)	Na₃BO₃ (борат)	BO₃^3-
-3	-	-	Mg₃B₂ (борид)	B^3-

Валентность и СО Кислорода (O)

СО	Примеры	Структура
+2	OF₂	F — O — F
+1	O₂F₂	F — O — O — F
0	O₂	O = O
-1	H₂O₂ (пероксиды)	H — O — O — H
-2	H₂O, CO₂, Na₂O	H — O — H

Степени окисления Галогенов (Cl, Br, I)

Фтор (F) всегда имеет СО -1. Для остальных галогенов (Cl, Br, I) характерны следующие степени окисления:

СО	Оксид (пример для Cl)	Гидроксид / Кислота	Соль (пример K)	Анион
+7 (высшая)	Cl₂O₇	HClO₄ (хлорная)	KClO₄ (перхлорат)	ClO₄^-
+5	- (для I₂O₅)	HClO₃ (хлорноватая)	KClO₃ (хлорат)	ClO₃^-
+3	-	HClO₂ (хлористая)	KClO₂ (хлорит)	ClO₂^-
+1	Cl₂O	HClO (хлорноватистая)	KClO (гипохлорит)	ClO^-
-1 (низшая)	-	HCl (хлороводородная)	KCl (хлорид)	Cl^-

Степени окисления Серы (S)

Примечание: Селен (Se) и Теллур (Te) (халькогены) проявляют химические свойства, во многом схожие со свойствами серы.

СО	Оксид	Кислота	Соль	Анион
+6	SO₃	H₂SO₄ (серная)	Na₂SO₄ (сульфат)	SO₄^2-
+4	SO₂	H₂SO₃ (сернистая)	Na₂SO₃ (сульфит)	SO₃^2-
-2	-	H₂S (сероводородная)	Na₂S (сульфид)	S^2-

Вопрос 1: Максимальная валентность

Проверка

Выберите два элемента, которые могут проявлять максимальную валентность, равную номеру их группы: азот, фосфор, фтор, хлор, кислород.

Ответ: Фосфор и хлор.

Пояснение: Азот, фтор и кислород — элементы второго периода, у них нет вакантных d-орбиталей для распаривания электронов, поэтому они не могут достичь высшей валентности. Фосфор (V) и хлор (VII) находятся в третьем периоде и легко распаривают электроны.

Вопрос 2: Средняя степень окисления

Проверка

Какова степень окисления серы в тиосульфате натрия ($Na_2S_2O_3$)?

Ответ: Формальная (средняя) степень равна +2.

Пояснение: Расчет по правилу электронейтральности: $2 \times (+1) + 2x + 3 \times (-2) = 0 \rightarrow 2x = +4 \rightarrow x = +2$. В реальности молекула асимметрична, и атомы серы находятся в состояниях -1 и +5.

5. Характерные СО металлов

Выберите переходный металл для просмотра его соединений:

Степени окисления Хрома (Cr)

СО	Оксид (Свойства)	Гидроксид / Кислота	Соль (Пример)	Анион / Катион
+6	CrO₃ (Кислотный)	H₂CrO₄ (хромовая) H₂Cr₂O₇ (дихромовая)	Na₂CrO₄ (хромат) Na₂Cr₂O₇ (дихромат)	CrO₄^2- Cr₂O₇^2-
+3	Cr₂O₃ (Амфотерный)	Cr(OH)₃	KCrO₂ (хромит) K₃[Cr(OH)₆]	CrO₂^- (анион) [Cr(OH)₆]^3- Cr³⁺ (катион)
+2	CrO (Основный)	Cr(OH)₂	CrCl₂	Cr²⁺ (катион)

Степени окисления Железа (Fe)

СО	Оксид	Гидроксид	Соль	Анион / Катион
+6	-	-	Na₂FeO₄ (феррат)	FeO₄^2-
+3	Fe₂O₃ (Амф/Осн)	Fe(OH)₃	KFeO₂ (феррит) Fe₂(SO₄)₃	FeO₂^- Fe³⁺ (катион)
+2	FeO (Основный)	Fe(OH)₂	FeSO₄	Fe²⁺ (катион)

Степени окисления Марганца (Mn)

СО	Оксид	Гидроксид / Кислота	Соль	Анион / Катион
+7	Mn₂O₇ (Кислотный)	HMnO₄ (марганцовая)	KMnO₄ (перманганат)	MnO₄^-
+6	-	H₂MnO₄ (марганцовистая)	K₂MnO₄ (манганат)	MnO₄^2-
+4	MnO₂ (Амфотерный)	-	-	-
+2	MnO (Основный)	Mn(OH)₂	MnSO₄	Mn²⁺ (катион)

Степени окисления Меди (Cu)

СО	Оксид	Гидроксид	Соль	Катион
+2	CuO (Осн)	Cu(OH)₂	CuSO₄, CuCl₂	Cu²⁺
+1	Cu₂O (Осн)	CuOH (неуст.)	[Cu(NH₃)₂]Cl	Cu⁺

Вопрос 1: Отрицательные степени у металлов

Проверка

Выберите все металлы из списка, способные проявлять отрицательную степень окисления в сложных соединениях: натрий, медь, железо, алюминий.

Ответ: Ни один из перечисленных.

Пояснение: Металлы (из-за своей низкой электроотрицательности) выступают исключительно в роли восстановителей, поэтому в сложных соединениях их степени окисления всегда только положительные.

Вопрос 2: Смешанные оксиды

Проверка

Какую степень окисления проявляет железо в железной окалине ($Fe_3O_4$)?

Ответ: Это смешанный оксид, содержащий атомы железа в степенях +2 и +3.

Пояснение: Железную окалину химически можно рассматривать как смесь двух оксидов: $FeO \cdot Fe_2O_3$. В её структуре один атом железа имеет степень окисления +2, а два других атома — +3.

6. Амфотерные элементы (Be, Zn, Al)

Эти элементы проявляют амфотерные свойства: образуют и катионы (в солях с кислотами), и анионы (в солях с щелочами).

Элемент	СО	Оксид / Гидроксид	Соль (катион)	Соль (комплекс / анион)
Be	+2	BeO, Be(OH)₂	BeCl₂	Na₂[Be(OH)₄] Na₂BeO₂
Zn	+2	ZnO, Zn(OH)₂	ZnSO₄	Na₂[Zn(OH)₄] Na₂ZnO₂
Al	+3	Al₂O₃, Al(OH)₃	AlCl₃	Na[Al(OH)₄] NaAlO₂

Вопрос 1: Степени окисления цинка

Проверка

Выберите соли, в которых цинк проявляет степень окисления +2: $ZnCl_2$, $Na_2[Zn(OH)_4]$, $ZnSO_4$, $K_2ZnO_2$.

Ответ: Во всех перечисленных солях.

Пояснение: Цинк — d-элемент побочной подгруппы II группы. Для него характерна единственная постоянная степень окисления +2 во всех химических соединениях: простых солях, комплексных солях и цинкатах.

Вопрос 2: Сложные соли

Проверка

Чему равна степень окисления алюминия в алюмокалиевых квасцах $KAl(SO_4)_2$?

Ответ: +3.

Пояснение: Алюминий проявляет постоянную степень окисления +3. Это легко проверить по заряду ионов: калий $K^+$ (+1), алюминий $Al^{3+}$ (+3), два сульфат-иона $2 \times SO_4^{2-}$ (-4). В сумме $1 + 3 - 4 = 0$.

7. Валентность и исключения (важно для ЕГЭ)

В большинстве случаев численное значение валентности совпадает с модулем степени окисления. Однако есть важные исключения-ловушки, которые очень любят давать на экзамене.

3 главных исключения: Азот, Кислород, Фтор

Азот (N): Имеет высшую степень окисления +5 (напр., в HNO₃), но его валентность НИКОГДА не бывает V (максимум IV, так как у него нет d-орбиталей для распаривания электронов). В азотной кислоте азот 4-валентен!
Кислород (O): Фосфор или сера могут распарить электроны и иметь валентности V или VI, а кислород — нет. Максимальная степень окисления кислорода +2 (в OF₂), а валентность почти всегда II (очень редко III в угарном газе CO и гидроксонии H₃O⁺).
Фтор (F): Высшая степень окисления -1 (положительной не бывает вообще). Валентность всегда строго I. Он не может иметь валентность VII, как другие галогены (например, хлор в HClO₄ имеет валентность VII).

Таблица популярных несовпадений валентности и СО

Вещество / Частица	Степень окисления	Валентность	В чем подвох?
N₂ (Простое вещество)	N = 0	III	Молекула с тройной связью (N≡N)
CO (Угарный газ)	C = +2 O = -2	III	3 связи: две обычные, одна донорно-акцепторная
HNO₃ и N₂O₅	N = +5	IV	Азот не может иметь валентность V
NH₄⁺ (Ион аммония)	N = -3	IV	4 ковалентные связи (одна донорно-акцепторная)
H₂O₂ (Пероксиды)	O = -1	II	Кислород все еще образует две связи (H—O—O—H)
H₃O⁺ (Ион гидроксония)	O = -2	III	Протон водорода "цепляется" к молекуле воды
Органика (напр. C₂H₆)	C = -3	IV	В органике валентность углерода всегда IV

Вопрос 1: Органика: Этан

Проверка

Определите валентность и степень окисления атомов углерода в молекуле этана ($C_2H_6$).

Ответ: Валентность IV, степень окисления -3.

Пояснение: Каждый атом углерода образует 4 связи (три с атомами водорода и одну связь С-С). Связь С-С неполярна, поэтому электроны смещаются к углероду только от трех водородов, давая заряд -3.

Вопрос 2: Аномалия азота

Проверка

Назовите вещество, в котором валентность азота равна IV, а степень окисления +5.

Ответ: Азотная кислота ($HNO_3$) или оксид азота(V) ($N_2O_5$).

Пояснение: У азота нет d-орбиталей, поэтому максимум он может образовать 4 связи (из них одну — по донорно-акцепторному механизму). Однако все 5 валентных электронов оттягиваются более электроотрицательным кислородом, что дает заряд +5.

Пройди тест по теме

Проверь свои знания по степени окисления и валентности. Задания формата ЕГЭ.

Начать тест →

Предыдущая тема Периодический закон

Следующая тема Химическая связь

Степень окисления и валентность

1. Определения: в чём главная разница?

Определение

Определение

2. Правила вычисления степени окисления

Примеры нахождения степеней окисления

Пример 1: Перманганат калия (KMnO4)

Пример 2: Дихромат калия (K2Cr2O7)

Пример 3: Ион аммония (NH4+)

Вопрос 1: Расчет в сложной молекуле

Вопрос 2: Положительный кислород

3. Максимальная степень окисления переходных металлов

Вопрос 1: Анализ угарного газа

Вопрос 2: Нулевая степень окисления

4. Степени окисления p-элементов (неметаллов)

Степени окисления Азота (N)

Степени окисления Фосфора (P)

Степени окисления Углерода (C)

Степени окисления Кремния (Si)

Степени окисления Бора (B)

Валентность и СО Кислорода (O)

Степени окисления Галогенов (Cl, Br, I)

Степени окисления Серы (S)

Вопрос 1: Максимальная валентность

Вопрос 2: Средняя степень окисления

5. Характерные СО металлов

Степени окисления Хрома (Cr)

Степени окисления Железа (Fe)

Степени окисления Марганца (Mn)

Степени окисления Меди (Cu)

Вопрос 1: Отрицательные степени у металлов

Вопрос 2: Смешанные оксиды

6. Амфотерные элементы (Be, Zn, Al)

Вопрос 1: Степени окисления цинка

Вопрос 2: Сложные соли

7. Валентность и исключения (важно для ЕГЭ)

3 главных исключения: Азот, Кислород, Фтор

Таблица популярных несовпадений валентности и СО

Вопрос 1: Органика: Этан

Вопрос 2: Аномалия азота

Пройди тест по теме

Пример 1: Перманганат калия (KMnO₄)

Пример 2: Дихромат калия (K₂Cr₂O₇)

Пример 3: Ион аммония (NH₄⁺)