§ 38. Степень окисления

СУЩНОСТЬ ПОНЯТИЯ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ

В веществах ионного строения (хлорид натрия NaCl, фторид кальция CaF₂) электроны переходят полностью: ионы несут реальные целочисленные электрические заряды ($\text{Na}^+, \text{Cl}^-, \text{Ca}^{2+}, \text{F}^-$). В простых веществах с ковалентной неполярной связью (O₂, N₂, Cl₂) связывающие электроны делятся строго поровну, и атомы электронейтральны (заряд равен нулю).

Однако в громадном мире сложных веществ с ковалентной полярной связью (HCl, H₂O, NH₃, CO₂) обобществленная электронная пара смещается к более электроотрицательному атому лишь частично. На атомах возникают дробные, частичные заряды (например, $+0{,}18$ на водороде и $-0{,}18$ на хлоре в молекуле хлороводорода). Точное измерение этих дробных величин для сотен тысяч химических веществ крайне сложно и неудобно для практических химических расчетов.

Чтобы классифицировать химические реакции и составлять уравнения взаимодействия веществ, ученые ввели удобную научную модель: представить, что ковалентные полярные связи полностью превратились в ионные.

Степенью окисления называют условный заряд атома химического элемента в химическом соединении, вычисленный из предположения, что все связывающие электронные пары ковалентных полярных связей полностью смещены к более электроотрицательным атомам (то есть соединение состоит исключительно из ионов).

ОТЛИЧИЯ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ОТ ЗАРЯДА ИОНА И ВАЛЕНТНОСТИ

Путаница между этими тремя понятиями — самая частая ошибка школьников. Они имеют совершенно разный физический смысл и разные правила записи:

1. Степень окисления против заряда иона:

• Степень окисления — это теоретический условный заряд. Знак заряда ставят перед цифрой строго над химическим знаком: $\overset{+2}{\text{Ca}}\overset{-2}{\text{O}}, \; \overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}}$. Единица пишется обязательно ($+1, -1$).
• Заряд иона — это реальный физический заряд частицы. Знак ставят после цифры в верхнем правом индексе: $\text{Ca}^{2+}, \; \text{O}^{2-}$. Единица в зарядах ионов традиционно опускается: $\text{Na}^+, \; \text{Cl}^-$.

2. Степень окисления против валентности:

• Валентность — это число реальных химических связей (общих электронных пар), связывающих данный атом. Она отражает пространственную способность к сцеплению, не имеет знака плюс или минус и обозначается римскими цифрами (I, II, III, IV).
• Степень окисления — это алгебраическая величина со знаком ($+$, $-$, $0$), отражающая направление смещения электронов.

Классические примеры несовпадения:

• Молекула азота N₂: между атомами азота существует прочнейшая тройная ковалентная связь ($\text{N}\equiv\text{N}$), поэтому валентность азота равна III. Но поскольку связь неполярная и смещения электронов нет, степень окисления азота равна 0 ($\overset{0}{\text{N}}_2$).
• Пероксид водорода H₂O₂ (строение $\text{H}—\text{O}—\text{O}—\text{H}$): каждый атом кислорода образует две одинарные связи (одну с водородом и одну с соседним кислородом), поэтому валентность кислорода равна II. Однако связь O—O неполярна, и электроны смещаются к кислороду только от одного водорода. Следовательно, степень окисления кислорода в пероксиде равна -1 ($\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-1}{\text{O}}_2$).

ЭЛЕМЕНТЫ С ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ ОКИСЛЕНИЯ

Чтобы легко находить степени окисления в любых формулах, необходимо твердо выучить элементы с постоянными значениями:

• Простые вещества: степень окисления атомов в любых простых веществах всегда строго равна 0 ($\overset{0}{\text{O}}_2, \; \overset{0}{\text{N}}_2, \; \overset{0}{\text{Fe}}, \; \overset{0}{\text{P}}_4$).
• Щелочные металлы (IA-группа: Li, Na, K, Rb, Cs): в соединениях всегда имеют степень окисления +1.
• Металлы IIA-группы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba): в соединениях всегда имеют степень окисления +2.
• Алюминий Al: в соединениях всегда проявляет степень окисления +3.
• Фтор F: будучи самым электроотрицательным элементом, во всех без исключения соединениях имеет степень окисления -1.
• Кислород O: практически во всех соединениях проявляет степень окисления -2.

Исключения: во фториде кислорода $\overset{+2}{\text{O}}\overset{-1}{\text{F}}_2$ (фтор сильнее кислорода) и в пероксидах ($\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-1}{\text{O}}_2, \; \overset{+1}{\text{Na}}_2\overset{-1}{\text{O}}_2$), где степень окисления равна -1.

• Водород H: в соединениях с большинством неметаллов имеет степень окисления +1 ($\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{O}}, \; \overset{-3}{\text{N}}\overset{+1}{\text{H}}_3$). В гидридах активных металлов имеет степень окисления -1 ($\overset{+1}{\text{Na}}\overset{-1}{\text{H}}, \; \overset{+2}{\text{Ca}}\overset{-1}{\text{H}}_2$).

Большинство остальных элементов-неметаллов и металлов побочных подгрупп проявляют переменные степени окисления. Для них действует правило:

• Высшая (максимальная) положительная степень окисления обычно равна номеру группы (у серы в VIA группе — $+6$, у хлора в VIIA группе — $+7$).
• Низшая (минимальная) отрицательная степень окисления для неметаллов равна номеру группы минус 8 (у серы: $6 - 8 = -2$; у хлора: $7 - 8 = -1$; у азота: $5 - 8 = -3$).

ПРАВИЛО ЭЛЕКТРОНЕЙТРАЛЬНОСТИ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА

Молекулы и формульные единицы любых химических веществ электрически нейтральны. Отсюда вытекает фундаментальное расчетное правило:

Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле с учетом их индексов всегда строго равна нулю:

$$\sum (\text{степень окисления} \times \text{индекс}) = 0$$

Пример 1. Оксид азота(V) — N₂O₅:

Степень окисления кислорода постоянна и равна $-2$. На 5 атомов кислорода приходится суммарный отрицательный заряд:

Чтобы молекула была нейтральной, на два атома азота должен приходиться суммарный положительный заряд $+10$.

Делим на число атомов азота:

Следовательно, степень окисления азота равна $+5$: $\overset{+5}{\text{N}}_2\overset{-2}{\text{O}}_5$.

Пример 2. Серная кислота — H₂SO₄:

Обозначим степень окисления серы через $x$. У водорода $+1$, у кислорода $-2$:

Степень окисления серы в серной кислоте равна $+6$: $\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{+6}{\text{S}}\overset{-2}{\text{O}}_4$.

Пример 3. Перманганат калия — KMnO₄ («марганцовка»):

Калий находится в IA группе ($+1$), кислород ($-2$), степень окисления марганца обозначим через $x$:

Степень окисления марганца равна $+7$: $\overset{+1}{\text{K}}\overset{+7}{\text{Mn}}\overset{-2}{\text{O}}_4$.

СОСТАВЛЕНИЕ ФОРМУЛ И НОМЕНКЛАТУРА БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Зная степени окисления, легко составить формулу бинарного (двухэлементного) соединения через наименьшее общее кратное (НОК).

Составим формулу сульфида алюминия:

1. Записываем символы: металл (положительная с.о.) слева, неметалл (отрицательная с.о.) справа: $\text{Al}\dots\text{S}$.
2. Проставляем степени окисления: у алюминия постоянная $+3$, у серы низшая с.о. равна $6 - 8 = -2$: $\overset{+3}{\text{Al}}\overset{-2}{\text{S}}$.
3. Находим НОК модулей степеней окисления: $\text{НОК}(3, 2) = 6$.
4. Делим НОК на модули зарядов для нахождения индексов:
   • Для алюминия: $6 : 3 = 2$
   • Для серы: $6 : 2 = 3$
5. Записываем готовую формулу: Al₂S₃.

Международная химическая номенклатура бинарных веществ:

Название любого бинарного соединения строится по строгой схеме:

Если элемент проявляет переменную степень окисления, ее значение указывается в конце римской цифрой в круглых скобках:

• FeCl₃ — хлорид железа(III) (от латинского Chlorum)
• K₂S — сульфид калия (от латинского Sulfur)
• CaH₂ — гидрид кальция (от латинского Hydrogenium)
• CuO — оксид меди(II) (от латинского Oxygenium)
• Fe₂O₃ — оксид железа(III)
• OF₂ — дифторид кислорода (или фторид кислорода(II), так как фтор более электроотрицателен, чем кислород!)
• SO₂ — оксид серы(IV)
• Mg₂Si — силицид магния (от латинского Silicium)
• Ca₃N₂ — нитрид кальция (от латинского Nitrogenium)
• Al₄C₃ — карбид алюминия (от латинского Carboneum)