Как определить степень окисления

Все химические вещества состоят из молекул, являющихся мельчайшими частицами. Они электронейтральны и состоят из атомов, которые связаны ковалентными связями. Способность атомов химических элементов образовывать в молекулах определенное число связей принято называть валентностью. В связи с возникновением и развитием теории химических связей это понятие претерпело существенные изменения и в настоящее время не имеет четкого научного толкования, используется в основном в методических целях и часто отождествляется со степенью окисления. Если молекула — это мельчайшая частица вещества, то атом является самой маленькой неделимой частицей химического элемента. Атом представляет собой также электронейтральную частицу, в центре его есть ядро, состоящее из положительно заряженных протонов, а вокруг него находится облако из электронов (отрицательно заряженные). Поэтому происходит уравновешивание положительного заряда ядра отрицательным зарядом электронов. Чтобы понять, как определить степень окисления и что это такое, нужно рассмотреть строение молекул конкретных веществ.

В молекуле хлористого водорода (HCl) между водородом и хлором существует одна общая пара электронов. Атом водорода имеет 1 протон и 1 электрон. Атом хлора имеет 17 протонов и 17 электронов, один из 7 электронов, находящихся во внешней оболочке электронной плотности объединился с электроном водородного атома, образовав, таким образом, электронную пару: H :Cl. В молекуле H2S атом серы образовал 2 общие пары электронов с обоими атомами водорода: H :S: H. Как определить степень окисления элемента, например, хлора и водорода в молекуле HCl и водорода и серы в молекуле H2S? Валентность дает представление о количестве образовавшихся в молекуле связей или электронных пар, но не показывает на их смещение.

Предполагается, что электроны атомов в молекуле объединены в электронные пары, которые сдвинуты к наиболее элекроотрицательному атому. Водород и хлор в HCl способны вступить в одну связь, которая сдвинута к атому хлора, так как он наиболее электроотрицательный. Таким образом, у водорода степень окисления равна плюс 1, а у хлора — минус 1. Каждый водородный атом в молекуле H2S вступает в одну связь с атомом серы, который, в свою очередь, имеет две связи. Обе электронные пары в этом случае сдвинуты к атому серы. Поэтому у водорода степень окисления равняется плюс 1, а у атома серы — минус 2. Как определить степень окисления вещества, например, HCl, H2S, O2, N2, Na, Ag, Si? Степень окисления простого или сложного вещества всегда равна 0, так как вещество состоит из молекул или атомов, а они электронейтральны. Исходя из этого, находят степень окисления элемента в молекуле.

На примере с хлорноватистой кислотой можно рассмотреть, как определить степень окисления для атома Cl. В молекуле HClO, как и в молекуле любого другого вещества, водород всегда (кроме гидридов) характеризуется степенью окисления плюс 1, а кислород всегда — степенью окисления минус 2 (кроме пероксида бария и фторида кислорода). Так как сама молекула не имеет заряда, то можно записать уравнение: (+1) +х +(-2) = 0. Это уравнение нужно решить: х = 0 – (+1) – (-2) = (+1), таким образом, получается, что степень окисления Cl в молекуле хлорноватистой кислоты равняется плюс 1. Приведенный пример показывает, как определить степень окисления конкретного элемента в любой молекуле. В первую очередь, расставляют известные значения тех элементов, валентность или степень окисления которых не меняются.

Таким образом, степенью окисления называется условная величина (формальный заряд атома в молекуле), применяемая для записи уравнений реакций, связанных с окислением или восстановлением различных веществ. Эта величина равняется количеству пар электронов, которые полностью сдвинуты в сторону электроотрицательных химических элементов молекулы. Степень окисления записывают над условным обозначением атома. Такая запись указывает, как определить степень окисления конкретного элемента в молекуле любого вещества. Например, запись (Na+1Cl-1) следует понимать, что в молекуле поваренной соли степень окисления натрия плюс 1, а хлора минус 1, таким образом: (+1) + (-1) = 0. В молекуле перманганата калия (K+1Mn+7O-24) для калия плюс 1, для марганца плюс 7, для кислорода минус 2, то есть: (+1) + (+7) + 2•(-2) = 0. В молекуле кислоты азотной (H+1N+5O-23 ) для водорода плюс 1, для азота плюс 5, для кислорода минус 2, а молекула в целом электронейтральна: (+1) + (+5) + 3•(-2) = 0. В молекуле азотистой кислоты (H+1N+3O-22), для водорода плюс 1, для азота плюс 3, для кислорода минус 2, так как заряд молекулы равен нулю, то: (+1) + (+3) + 2•(-2) = 0. На примере азота видно, что этот атом может иметь в разных веществах различные степени окисления от плюс 5 до минус 3 (с интервалом в одну единицу).