Степень окисления, валентность

3.1 Степень окисления, валентность

Валентность элементов главных подгрупп Периодической системы зависит от числа электронов, находящихся на внешнем электронном слое. Поэтому эти внешние электроны принято называть валентными. Для элементов побочных подгрупп в качестве валентных электронов могут выступать как электроны внешнего слоя, так и электроны внутренних подуровней.

Как уже подчеркивалось выше, атомы способны принимать и отдавать электроны, превращаясь в заряженные частицы – ионы: ион+ - катион, ион- - анион. Данное свойство связано с понятием степени окисления элемента.

Степень окисления — условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что все связи имеют ионный характер.

Это означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе полностью одну электронную пару, приобретает заряд l-.

При пользовании степенями окисления полезно придерживаться следующих правил:

1) сумма степеней окисления атомов в любой частице равна ее электрическому заряду. Следовательно, степень окисления элемента в его простом веществе равна нулю;

2) в соединениях фтор всегда проявляет степень окисления -1;

3) степень окисления кислорода в соединениях обычно равна -2 (кроме ОF2, Н2О2 и др.);

4) степень окисления водорода равна +1 в соединениях с неметаллами и -1 в соединениях с металлами (КН, СаН2).

Максимальная положительная степень окисления элемента обычно совпадает с номером его группы в периодической системе. Максимальная отрицательная степень окисления элемента равна максимальной положительной степени окисления - минус восемь.

Исключение составляют фтор, кислород, железо: их высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов под­группы меди, наоборот, высшая степень окисления больше еди­ницы, хотя они и относятся к I группе.

Понятие степени окисления введено в предположении о пол­ном смещении пар электронов к тому или другому атому (показывая при этом заряд ионов, образующих ионное соедине­ние). Поэтому следует помнить, что в полярных соединениях сте­пень окисления означает число электронов, лишь смещенных от данного атома к атому, связанному с ним.

Совсем формальным понятие степени окисления становится, когда оно используется при рассмотрении ковалентного соединения.

Различие между понятием степени окисления и валентности в ковалентных соединениях наглядно можно проиллюстрировать на хлорпроизводных метана: валентность углерода везде равна че­тырем, а степень окисления его (считая степени окисления водо­рода + 1 и хлора -1 во всех соединениях) в каждом соединении разная:

 -4  -2 0  +2  +4
 CH4   CH3Cl  CH2Cl2   CHCl3   CCl4

Валентность атома (о чём подробнее сказано ниже) показывает число связей, образуемых данным атомом с соседними атомами — Валентность. Э. Франкленд в 1852 предложил концепцию, согласно которой каждый элемент образует соединения, связываясь с определённым числом эквивалентов др. элементов, при этом один эквивалент соответствует количеству, требуемому одной валентностью.

Валентность и степень окисления элементов

Термин валентности был введен в химию в 1853 году английским химиком - органиком Франклендом для обоснования количественных соотношений атомов элементов в химических соединениях. Развитие учения о валентности в большой степени связано с открытием Периодического закона (1869 году). Им была установлена связь между валентностью и его положением в Периодической системе, введено понятие о переменной валентности элементов в их соединениях с кислородом и водородом. Учение о строении атомов и молекул способствовало разработке электронной теории валентности.

Стехиометрическая валентность

Для стехиометрических расчетов, а так же для составления химических формул и уравнений необходимо знание количественных соотношений атомов различных элементов, в которых они соединяются или реагируют. Такая информация передается стехиометрической валентностью. Стехиометрическая валентность элемента показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента соединяется атом данного элемента.

Одновалентными считаются все элементы, атомы которых в двухэлементных соединениях всегда связаны с одним атомом другого элемента. Примером одновалентного элемента является водород Н. Поэтому считается, что стехиометрическая валентность элемента указывает на то, со сколькими атомами водорода соединен один атом рассматриваемого элемента. Так, в НСl хлор - одновалентен, в Н2О кислород - двухвалентен, NН3 азот - трехвалентен.

Водородные соединения известны не для всех элементов, но почти все стехиометричны двухвалентным, и по составу кислородных соединений других элементов можно определить валентность этих элементов. Считают, что все оксиды можно получить формальным замещением атомов водорода в воде на атомы других элементов. Например, из сравнения формул Н2О и Na2O или Н2О и СаО делают заключение об одновалентности натрия и двухвалентности кальция. Таким образом, стехиометрическая валентность элемента определяется числом атомов водорода, которое может быть присоединено или замещено одним атомом данного элемента.

Задача 1. Сколько электронов и протонов содержат следующие молекулы и ионы: а) AlH4- б) NF3?

Решение.

а) Число протонов в атоме элемента равно порядковому номеру элемента, поэтому атом алюминия содержит 13 протонов, атом водорода - один протон. Всего в ионе содержится 17 протонов. Заряд иона равен -1, поэтому число электронов на единицу превышает число протонов и равно 18.

б) Атом азота содержит 7 протонов, атом фтора - 9 протонов. Всего в молекуле NF3 содержится 7+3•9 = 34 протона. Заряд молекулы равен 0, поэтому число электронов равно числу протонов.

Ответ. а) 17 протонов, 18 электронов; б) 34 протона, 34 электрона.

Задача 2. Каковы валентность и степень окисления азота: а) в азотной кислоте; б) в хлориде аммония?

Решение.

а) Структурную формулу азотной кислоты иногда изображают с пятивалентным азотом следующим образом:

O

//

H - O - N

\\

O

В действительности, пятивалентный азот не существует, поскольку для этого атом азота должен иметь пять неспаренных электронов.

Распаривание 2s-электронов азота требует очень большой затраты энергии и практически не происходит. Атом азота в азотной кислоте имеет валентность IV. Три ковалентные связи N-О образованы за счет неспаренных электронов, и одна - за счет неподеленной пары электронов азота. Структурную формулу азотной кислоты можно писать так:

O

/

H - O - N

\\

O

где стрелочка обозначает донорно-акцепторную связь. Степень окисления водорода равна +1, кислорода -2, а сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0, поэтому на долю атома азота приходится условный заряд +5.

б) Валентность азота в ионе равна IV. Три ковалентные связи N-Н образованы за счет неспаренных электронов азота, и одна - за счет неподеленной пары электронов.

Степень окисления водорода равна +1, а сумма степеней окисления атомов в ионе равна заряду иона (-1), поэтому на долю атома азота приходится условный заряд -3.

Ответ. а) валентность IV, степень окисления +5. б) валентность IV, степень окисления -3.

Задача 3. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: К2MnО4; Ba(ClO3)2; F2O; Ca(NO2)2; H2SiF6; H2O2; Cr2(SO4)3.

Решение. Используем следующие правила определения степеней окисления: 1) сумма степеней окисления атомов в молекуле равна 0; 2) степень окисления Н равна +1 в соединениях с неметаллами; 3) степень окисления О равна -2, кроме соединений со фтором и перекисных соединений; 4) степень окисления F фтора равна -1; 5) степень окисления металла равна заряду иона металла. Используя эти правила, находим:

1) K2MnO4: K+1*2 + Mn+х *1 +O-2* 4 =0; по расчету получаем заряд марганца равный 6

2) Ba(ClO3)2: Ba+2, Cl+5, O-2;

3) F2O: F-1, O+2;

4) Ca(NO2)2: Ca+2, N+3, O-2;

5) H2SiF2: H+1, Si+4, F-1;

6) H2O2: H+1, O-1;

7) Cr2(SO4)3: Cr+3, S+6, O-2.

Самостоятельная работа

1/ Степень окисления серы в соединении FeSO4 равна

а/-1 б/+2 в/0 г/+4

2// Степень окисления углерода в CH3CL равна

а/+1 б/-1 в/+2 г/-2

3/ В какой молекуле степень окисления элемента равна нулю, а валентность равна единице?

a/ O2 б/ CaC2 в/ Cl2 г/ CO

4/ Степень окислении азота в ионе NH4+ равна

а/ -1 б/ -3 в/ +3 г/ +5

5/ Степень окисления, равную +4, атом серы имеет в соединении

а/ H2SO4 б/ FeS2 в/ H2SO3 г/ NaHSO4

6/ Наибольшую степень окисления азот проявляет в соединение

а/ NH3 б/ N2 в/ NO2 г/ N2O5

7/ Азот проявляет одинаковую степень окисления в каждом из двух соединений

а/ NH3 , N2O3 б/ HNO2 , Li3N в/ Mg3N2 , NH3 г/ NH3 , HNO2

8/ Отрицательная степень окисления у атома серы в соединении

а/ NaHS б/ NaHSO3 в/ SO2 г/ H2SO4

9/ В соединениях PH3, P2O5, H3PO3 фосфор имеет степени окисления, соответственно равные

а/ +3; +5; -3 б/ -3; +5;+3 в/ -3; +3; +5 г/ +3;-5; -3

10/ Установите соответствие между формулой соединения и значением степени окислением хлора в нем.

ФОРМУЛА СОЕДИНЕНИЯ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ ХЛОРА

а/ Ca(OCl)2 1) +1

б/ KClO3 2) +2

в/ HClO2 3) +3

г/ FeCl3 4) +5

5) -1

А	Б	В	Г

11/ Установите соответствие между химической формулой и значением степени окисления серы в нем.

ФОРМУЛА СОЕДИНЕНИЯ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ СЕРЫ

А/ Mg(HSO4)2 1/ 0

Б/ Al2S3 2/ +2

В/ S8 3/ +4

Г/ (NH4)2SO3 4/ +6

5/ -2

А	Б	В	Г