Степень окисления

Валентность говорит о том, сколько связей образует атом, но не говорит, какой из двух атомов сильнее притягивает к себе электроны связи. А это важно: именно переходом электронов объясняются окислительно-восстановительные реакции (тема 5.3). Поэтому химики пользуются ещё одной характеристикой атома в соединении — степенью окисления.

Электроотрицательность

Химическая связь образуется за счёт электронов, которые становятся общими для двух атомов (подробнее — в теме 3.1). Атомы разных элементов притягивают эти общие электроны неодинаково. Электроотрицательность — это способность атома в соединении притягивать к себе электроны химической связи. Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним идёт кислород. Для решения школьных задач достаточно запомнить ряд неметаллов по убыванию электроотрицательности:

\[ \ce{F} > \ce{O} > \ce{N} > \ce{Cl} > \ce{Br} > \ce{I} > \ce{S} > \ce{C} > \ce{H} \]

Металлы в этом ряду стоят ещё правее: их электроотрицательность меньше, чем у водорода. Как электроотрицательность меняется в Периодической системе, объясняет тема 2.3.

Что такое степень окисления

Представим, что все связи в соединении ионные, то есть электроны связи полностью перешли к более электроотрицательному атому. Тогда каждый атом получил бы заряд. Этот условный заряд и называют степенью окисления. Степень окисления — условный заряд атома в соединении, вычисленный в предположении, что соединение состоит только из ионов.

В хлороводороде \(\ce{HCl}\) хлор электроотрицательнее водорода, поэтому электрон связи мысленно отдаём хлору: степень окисления хлора −1, водорода +1. Степень окисления пишут над знаком элемента, причём знак ставят перед цифрой: \(\ce{\overset{+1}{H}\overset{-1}{Cl}}\), \(\ce{\overset{+2}{Ca}\overset{-1}{Cl}2}\). Этим она отличается от заряда иона, у которого цифру пишут перед знаком: \(\ce{Ca^{2+}}\).

Правила определения степени окисления

Степень окисления почти никогда не приходится вычислять по электронам. Достаточно нескольких правил.

Как найти неизвестную степень окисления

Неизвестную степень окисления находят из последнего правила, как неизвестное в уравнении. Найдём степень окисления серы в серной кислоте \(\ce{H2SO4}\), обозначив её \(x\). У двух атомов водорода по +1, у четырёх атомов кислорода по −2, а в сумме должен получиться ноль:

\[ 2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0, \qquad x = +6. \]

Так же для перманганата калия \(\ce{KMnO4}\): \(+1 + x + 4 \cdot (-2) = 0\), откуда у марганца \(+7\). В ионе сумма равна заряду иона. Для нитрат-иона \(\ce{NO3-}\): \(x + 3 \cdot (-2) = -1\), у азота \(+5\). Для иона аммония \(\ce{NH4+}\): \(x + 4 \cdot (+1) = +1\), у азота \(-3\). Если в формуле есть скобки, не забудьте умножить на индекс: в \(\ce{Ca(ClO)2}\) два атома хлора и два атома кислорода, поэтому \(+2 + 2x + 2 \cdot (-2) = 0\) и \(x = +1\).

Высшая и низшая степени окисления

Высшая степень окисления элемента, как правило, равна номеру его группы: у серы (VI группа) +6, у азота (V группа) +5, у хлора (VII группа) +7, у углерода +4. В высшей степени окисления атом отдал все внешние электроны, которые мог отдать. Исключения — фтор, у которого положительной степени окисления не бывает, и кислород, у которого она положительна только в соединении с фтором.

Низшая степень окисления неметалла равна номеру группы минус восемь: у серы \(6 - 8 = -2\) (\(\ce{H2S}\)), у азота \(-3\) (\(\ce{NH3}\)), у хлора \(-1\) (\(\ce{HCl}\)), у углерода \(-4\) (\(\ce{CH4}\)). Низшая степень окисления металлов равна нулю: отрицательных степеней окисления у металлов не бывает.

Эти границы пригодятся в теме 5.3. Атом в высшей степени окисления может только принимать электроны, в низшей — только отдавать, а в промежуточной — и то и другое. Например, сера в \(\ce{H2SO4}\) (+6) может лишь понижать степень окисления, сера в \(\ce{H2S}\) (−2) — лишь повышать, а сера в \(\ce{SO2}\) (+4) способна и на то и на другое.