Степень окисления химических элементов. Валентность
Тема кодификатора ОГЭ: Строение вещества. Степень окисления химических элементов. Валентность.
1. Основные понятия
Для успешного выполнения задания 4 ОГЭ нужно четко различать два базовых химических понятия — валентность и степень окисления. Хотя часто они численно совпадают (например, у кислорода в воде валентность равна II, а степень окисления −2), по своему физическому смыслу это совершенно разные вещи.
2. Валентность
Валентность определяется числом общих электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами. Она не имеет знака (не бывает положительной или отрицательной) и всегда обозначается римскими цифрами (I, II, III, IV и т.д.).
Постоянная и переменная валентность
У некоторых элементов валентность всегда одна и та же, а у других может меняться в зависимости от соединения.
| Валентность | Элементы с постоянной валентностью |
|---|---|
| I | H, Li, Na, K, Rb, Cs, F, Ag |
| II | O, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd |
| III | B, Al |
Исключения и важные моменты
1. Кислород (O) почти всегда двухвалентен (II).
2. Водород (H) всегда одновалентен (I).
3. Максимальная валентность азота (N) равна IV. Азот не может иметь валентность V, так как у него нет d-подуровня для распаривания электронов (хотя он находится в V группе!).
4. Валентность простых веществ (O₂, N₂, Cl₂, Fe) равна числу связей, которые атомы образуют друг с другом (например, в O₂ связь двойная, валентность II).
3. Степень окисления (СО)
В отличие от валентности, степень окисления всегда пишется со знаком: +, − или 0 (например, +2, −3, 0). Цифры используются арабские. Сначала пишется знак, затем цифра (например, +2, а не 2+).
Правила определения степени окисления:
- В простых веществах (H₂, Fe, O₃) степень окисления всех атомов равна 0.
- Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна 0.
- Сумма степеней окисления атомов в сложном ионе равна заряду этого иона.
- Фтор (F) во всех сложных соединениях имеет степень окисления −1 (как самый электроотрицательный элемент).
- Щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs) всегда +1.
- Щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba), а также Mg, Be и Zn всегда +2.
- Алюминий (Al) всегда +3.
- Водород (H) в соединениях с неметаллами имеет СО +1 (HCl, H₂O, NH₃), а в соединениях с металлами (гидридах) −1 (NaH, CaH₂).
- Кислород (O) в большинстве соединений имеет СО −2. Исключения: пероксиды (H₂O₂, Na₂O₂, где СО = −1) и фторид кислорода (OF₂, где СО = +2).
4. Отличие валентности и степени окисления
Эти понятия часто путают. В таблице ниже показаны основные различия.
| Признак | Валентность | Степень окисления (СО) |
|---|---|---|
| Смысл | Число образованных химических связей | Условный заряд атома |
| Обозначение | Римские цифры без знака (I, II, III) | Арабские цифры со знаком (+1, −2, 0) |
| В простых веществах (Cl₂, H₂) | Равна числу связей (Cl₂ — I, H₂ — I, O₂ — II) | Всегда равна 0 |
| Пример расхождения (N₂), простое вещество | Валентность азота = III | СО азота = 0 |
| Пример расхождения (H₂O₂), пероксид водорода | Валентность кислорода = II | СО кислорода = −1 |
5. Как рассчитать степень окисления в соединении?
Чтобы рассчитать степень окисления неизвестного элемента в формуле, мы составляем простое математическое уравнение, приравнивая сумму всех зарядов к нулю.
Пример: Найдем степень окисления серы в H₂SO₄ (серной кислоте).
- Записываем известные степени окисления: у водорода +1, у кислорода −2. У серы берем за x.
- Формула: H₂+1SxO₄−2
- Составляем уравнение с учетом индексов (количества атомов):
2 · (+1) + 1 · (x) + 4 · (−2) = 0 - Решаем уравнение: 2 + x − 8 = 0 ⟹ x − 6 = 0 ⟹ x = +6.
- Степень окисления серы равна +6.
6. Разбор типовых заданий
В Задании 4 ОГЭ от вас обычно требуется установить соответствие между формулой соединения и степенью окисления одного из элементов в нем, либо выбрать два соединения, в которых элемент проявляет одинаковую степень окисления/валентность.
Пример 1: Определение степени окисления
Установите соответствие между формулой соединения и степенью окисления азота в этом соединении: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
ФОРМУЛА СОЕДИНЕНИЯ
А) N₂O
Б) NH₃
В) HNO₃
СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ АЗОТА
- −3
- +1
- +3
- +5
Разбор:
А) N₂O: У кислорода СО = −2. Обозначим СО азота за x. Уравнение: 2x + (−2) = 0 ⟹ 2x = 2 ⟹ x = +1. Соответствует цифре 2.
Б) NH₃: У водорода в соединении с неметаллом СО = +1. Уравнение: x + 3 · (+1) = 0 ⟹ x = −3. Соответствует цифре 1.
В) HNO₃: У водорода +1, у кислорода −2. Уравнение: 1 + x + 3 · (−2) = 0 ⟹ 1 + x − 6 = 0 ⟹ x = +5. Соответствует цифре 4.
Ответ: 214.
Пример 2: Одинаковая степень окисления
В каких двух соединениях степень окисления серы равна +4?
- SO₂
- H₂S
- Na₂SO₄
- K₂SO₃
- Al₂S₃
Разбор: Посчитаем степень окисления серы в каждом веществе:
1) SO₂: Кислород −2. x + 2·(−2) = 0 ⟹ x = +4. (Подходит)
2) H₂S: Водород +1. 2·(+1) + x = 0 ⟹ x = −2.
3) Na₂SO₄: Натрий +1, кислород −2. 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0 ⟹ 2 + x − 8 = 0 ⟹ x = +6.
4) K₂SO₃: Калий +1, кислород −2. 2·(+1) + x + 3·(−2) = 0 ⟹ 2 + x − 6 = 0 ⟹ x = +4. (Подходит)
5) Al₂S₃: Алюминий +3. 2·(+3) + 3x = 0 ⟹ 6 + 3x = 0 ⟹ 3x = −6 ⟹ x = −2.
Ответ: 1, 4.