Степени окисления переходных металлов и неметаллов

Какие степени окисления реально встречаются у неметаллов и почему не все возможные.

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.