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):
(+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.
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.
x + 4 · (+1) = +1
x + 4 = 1
x = -3
Ответ: (N-3H4+1)+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.
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 | PO43- (фосфат) |
| +3 | P2O3 | H3PO3 | Na2HPO3 | HPO32- (фосфит) |
| +1 | - | H3PO2 | NaH2PO2 | H2PO2- (гипофосфит) |
| -3 | PH3 (фосфин) |
- | Na3P | P3- (фосфид) |
Степени окисления Углерода (C)
| СО | Вещества / Ионы | Примеры (Органика) |
|---|---|---|
| +4 | CO2, H2CO3, CO32- | 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) | SiO32- |
| -4 | SiH4 (силан) | - | Mg2Si (силицид) | Si4- |
Степени окисления Бора (B)
| СО | Оксид | Кислота | Соль | Анион |
|---|---|---|---|---|
| +3 | B2O3 | H3BO3 (борная) | Na3BO3 (борат) | BO33- |
| -3 | - | - | Mg3B2 (борид) | B3- |
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) | SO42- |
| +4 | SO2 | H2SO3 (сернистая) | Na2SO3 (сульфит) | SO32- |
| -2 | - | H2S (сероводородная) | Na2S (сульфид) | S2- |
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) |
CrO42- Cr2O72- |
| +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) | FeO42- |
| +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) | MnO42- |
| +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+ |
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 |
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 |
Пройди тест по теме
Проверь свои знания по степени окисления и валентности. Задания формата ЕГЭ.