Видеоурок 2: Степень окисления химических элементов

Видеоурок 3: Валентность. Определение валентности

Лекция: Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов

Электроотрицательность

Электроотрицательность – это способность атомов притягивать к себе электроны других атомов для соединения с ними.

Судить об электроотрицательности того или иного химического элемента легко по таблице. Вспомните, на одном из наших уроков было сказано о том, что она возрастает при движении слева направо по периодам в таблице Менделеева и с перемещением снизу вверх по группам.

К примеру, дано задание определить какой элемент из предложенного ряда наиболее электроотрицателен: C (углерод), N (азот), O (кислород), S (сера)? Смотрим по таблице и находим, что это О, потому что он правее и выше остальных.

Какие же факторы оказывают влияние на электроотрицательность? Это:

• Радиус атома, чем он меньше, тем электроотрицательность выше.
• Заполненность валентной оболочки электронами, чем их больше, тем выше электроотрицательность.

Из всех химических элементов фтор является наиболее электроотрицательным, потому как у него малый атомный радиус и на валентной оболочке 7 электронов.

К элементам, имеющим низкую электроотрицательность, относятся щелочные и щелочноземельные металлы. У них большие радиусы и очень мало электронов на внешней оболочке.

Значения электроотрицательности атома не могут быть постоянными, т.к. она зависит от многих факторов в числе которых перечисленные выше, а также степень окисления, которая может быть различной у одного и того же элемента. Поэтому принято говорить об относительности значений электроотрицательности. Вы можете пользоваться следующими шкалами:

Значения электроотрицательности вам понадобятся при записи формул бинарных соединений, состоящих из двух элементов. К примеру, формула оксида меди Cu 2 O - первым элементом следует записывать тот, чья электроотрицательность ниже.

В момент образования химической связи если разница электроотрицательности между элементами больше 2,0 образуется ковалентная полярная связь, если меньше, ионная.

Степень окисления

Степень окисления (СО) – это условный или реальный заряд атома в соединении: условный – если связь ковалентная полярная, реальный – если связь ионная.

Атом приобретает положительный заряд при отдаче электронов, а отрицательный заряд – при принятии электронов.

Степени окисления записываются над символами со знаком «+»/«-» . Есть и промежуточные СО. Максимальная СО элемента положительная и равна № группы, а минимальная отрицательная для металлов равна нулю, для неметаллов = (№ группы – 8) . Элементы с максимальной СО только принимают электроны, а с минимальной, только отдают. Элементы же, имеющие промежуточные СО могут и отдавать и принимать электроны.

Рассмотрим некоторые правила, которыми стоит руководствоваться для определения СО:

СО всех простых веществ равна нулю.

Равна нулю и сумма всех СО атомов в молекуле, так как любая молекула электронейтральна.

В соединениях с ковалентной неполярной связью СО равна нулю (О 2 0), а с ионной связью равна зарядам ионов (Na + Cl - СО натрия +1, хлора -1). СО элементов соединений с ковалентной полярной связью рассматриваются как с ионной связью (H:Cl = H + Cl - , значит H +1 Cl -1).

Элементы в соединении, имеющие наибольшую электроотрицательность, имеют отрицательные степени окисления, если наименьшую положительные. Исходя из этого можно сделать вывод, что металлы имеют только «+» степень окисления.

Постоянные степени окисления :

Щелочные металлы +1.

Все металлы второй группы +2. Исключение: Hg +1, +2.

Алюминий +3.

• Водород +1. Исключение: гидриды активных металлов NaH, CaH 2 и др., где степень окисления водорода равна –1.

  Кислород –2. Исключение: F 2 -1 O +2 и пероксиды, которые содержат группу –О–О–, в которой степень окисления кислорода равна –1.

Когда образуется ионная связь, происходит определенный переход электрона, от менее электроотрицательного атома к атому большей электроотрицательности. Так же, в данном процессе, атомы всегда теряют электронейтральность и впоследствии превращаются в ионы. Так же образуются целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи, электрон переходит только частично, поэтому возникают частичные заряды.

Валентность

Валентность – это способность атомов образовать n - число химических связей с атомами других элементов.

А еще валентность – это способность атома удержать другие атомы возле себя. Как вам известно из школьного курса химии, разные атомы связываются друг с другом электронами внешнего энергетического уровня. Неспаренный электрон ищет для себя пару у другого атома. Эти электроны внешнего уровня называются валентными. Значит валентность можно определить и как число электронных пар, связывающих атомы друг с другом. Посмотрите структурную формулу воды: Н – О – Н. Каждая черточка – это электронная пара, значит показывает валентность, т.е. кислород здесь имеет две черточки, значит он двухвалентен, от молекул водорода исходят по одной черточке, значит водород одновалентен. При записи валентность обозначается римскими цифрами: О (II), Н (I). Может указываться и над элементом.

Валентность бывает постоянной либо переменной. К примеру, у щелочей металлов она постоянна и равняется I. А вот хлор в различных соединениях проявляет валентности I, III, V, VII.

Как определить валентность элемента?

Вновь обратимся к Периодической таблице. Постоянная валентность у металлов главных подгрупп, так металлы первой группы имеют валентность I, второй II. А у металлов побочных подгрупп валентность переменная. Также она переменная и у неметаллов. Высшая валентность атома равна № группы, низшая равна = № группы - 8. Знакомая формулировка. Не означает ли это то, что валентность совпадает со степенью окисления. Помните, валентность может совпадать со степенью окисления, но данные показатели не тождественны друг другу. Валентность не может иметь знака =/-, а также не может быть нулевой.

Второй способ определения валентности по химической формуле, если известна постоянная валентность одного из элементов. Например, возьмем формулу оксида меди: CuО. Валентность кислорода II. Видим, что на один атом кислорода в данной формуле приходится один атом меди, значит и валентность меди равна II. А теперь возьмем формулу посложнее: Fe 2 O 3 . Валентность атома кислорода равна II. Таких атомов здесь три, умножаем 2*3 =6. Получили, что на два атома железа приходится 6 валентностей. Узнаем валентность одного атома железа: 6:2=3. Значит валентность железа равна III.

Кроме того, когда необходимо оценить "максимальную валентность", всегда следует исходить из электронной конфигурации, которая имеется в «возбужденном» состоянии.

Атомы различных химических элементов могут присоединять разное число других атомов, т. е. проявлять разную валентность.

Валентность характеризует способность атомов соединяться с другими атомами. Теперь, изучив строение атома и виды химической связи, можно более подробно рассмотреть это понятие.

Валентностью называют число одинарных химических связей, которые атом образует с другими атомами в молекуле. Под числом химических связей понимают число общих электронных пар. Так как общие пары электронов образуются только в случае ковалентной связи, то валентность атомов можно определить только в ковалентных соединениях.

В структурной формуле молекулы химические связи изображают черточками. Число черточек, отходящих от символа данного элемента, и есть его валентность. Валентность всегда имеет положительное целое значение от I до VIII.

Как вы помните, высшая валентность химического элемента в оксиде обычно равна номеру группы, в которой он находится. Чтобы определить валентность неметалла в водородном соединении, нужно из 8 вычесть номер группы.

В простейших случаях валентность равна числу неспаренных электронов в атоме, поэтому, например, кислород (содержит два неспаренных электрона) имеет валентность II, а водород (содержит один неспаренный электрон) – I.

В ионных и металлических кристаллах нет общих пар электронов, поэтому для этих веществ понятие валентности как числа химических связей не имеет смысла. Для всех классов соединений, независимо от вида химических связей, применимо более универсальное понятие, которое называют степенью окисления.

Степень окисления

это условный заряд на атоме в молекуле или кристалле. Его вычисляют, полагая, что все ковалентные полярные связи имеют ионный характер.

В отличие от валентности, степень окисления может быть положительной, отрицательной или равной нулю. В простейших ионных соединениях степени окисления совпадают с зарядами ионов.

Например, в хлориде калия KCl (K + Cl - ) калий имеет степень окисления +1, а хлор -1, в оксиде кальция CaO (Ca +2 O -2 ) кальций проявляет степень окисления +2, а кислород -2. Это правило распространяется на все основные оксиды: в них степень окисления металла равна заряду иона металла (натрия +1, бария +2, алюминия +3), а степень окисления кислорода равна -2. Степень окисления обозначают арабской цифрой, которую ставят над символом элемента, подобно валентности:

Cu +2 Cl 2 -1 ; Fe +2 S -2

Степень окисления элемента в простом веществе принимают равной нулю:

Na 0 , O 2 0 , S 8 0 , Cu 0

Рассмотрим, как определяют степени окисления в ковалентных соединениях.

Хлороводород HCl вещество с полярной ковалентной связью. Общая электронная пара в молекуле HCl смещена к атому хлора, имеющему большую электроотрицательность. Мысленно трансформируем связь H-Cl в ионную (это действительно происходит в водном растворе), полностью сместив электронную пару к атому хлора. Он приобретет заряд -1, а водород +1. Следовательно, хлор в этом веществе имеет степень окисления -1, а водород +1:

Реальные заряды и степени окисления атомов в молекуле хлороводорода

Степень окисления и валентность – родственные понятия. Во многих ковалентных соединениях абсолютная величина степени окисления элементов равна их валентности. Существует, однако, несколько случаев, когда валентность отлична от степени окисления. Это характерно, например, для простых веществ, где степень окисления атомов равна нулю, а валентность – числу общих электронных пар:

O=O.

Валентность кислорода равна II, а степень окисления 0.

В молекуле пероксида водорода

H-O-O-H

кислород двухвалентен, а водород одновалентен. В то же время степени окисления обоих элементов по абсолютной величине равны 1:

H 2 +1 O 2 -1

Один и тот же элемент в разных соединениях может иметь как положительные, так и отрицательные степени окисления в зависимости от электроотрицательности связанных с ним атомов. Рассмотрим, например, два соединения углерода – метан CH 4 и фторид углерода(IV) CF 4 .

Углерод более электроотрицателен, чем водород, поэтому в метане электронная плотность связей С–Н смещена от водорода к углероду, и каждый из четырех атомов водорода имеет степень окисления +1, а атом углерода -4. Напротив, в молекуле CF4 электроны всех связей смещены от атома углерода к атомам фтора, степень окисления которых равна -1, следовательно, углерод находится в степени окисления +4. Запомните, что степень окисления самого электроотрицательного атома в соединении всегда отрицательна.

Модели молекул метана CH 4 и фторида углерода(IV) CF 4 . Полярность связей обозначена стрелками

Любая молекула электронейтральна, поэтому сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Используя это правило, по известной степени окисления одного элемента в соединении можно определить степень окисления другого, не прибегая к рассуждениям о смещении электронов.

В качестве примера возьмем оксид хлора(I) Cl 2 O. Исходим из электронейтральности частицы. Атом кислорода в оксидах имеет степень окисления –2, значит, оба атома хлора несут суммарный заряд +2. Отсюда следует, что на каждом из них заряд +1, т. е. хлор имеет степень окисления +1:

Cl 2 +1 O -2

Для того чтобы правильно расставить знаки степени окисления разных атомов, достаточно сравнить их электроотрицательности. Атом с большей электроотрицательностью будет иметь отрицательную степень окисления, а с меньшей – положительную. Согласно установленным правилам, символ наиболее электроотрицательного элемента записывают в формуле соединения на последнем месте:

I +1 Cl -1 , O +2 F 2 -1 , P +5 Cl 5 -1

Реальные заряды и степени окисления атомов в молекуле воды

При определении степеней окисления элементов в соединениях соблюдают следующие правила.

Степень окисления элемента в простом веществе равна нулю.

Фтор – самый электроотрицательный химический элемент, поэтому степень окисления фтора во всех веществах, кроме F2, равна -1.

Кислород – самый электроотрицательный элемент после фтора, поэтому степень окисления кислорода во всех соединениях, кроме фторидов, отрицательна: в большинстве случаев она равна -2, а в пероксиде водорода H 2 O 2 -1 .

Степень окисления водорода равна +1 в соединениях с неметаллами, -1 в соединениях с металлами (гидридах); нулю в простом веществе H 2 .

Степени окисления металлов в соединениях всегда положительны. Степень окисления металлов главных подгрупп, как правило, равна номеру группы. Металлы побочных подгрупп часто имеют несколько значений степени окисления.

Максимально возможная положительная степень окисления химического элемента равна номеру группы (исключение – Cu +2).

Минимальная степень окисления металлов равна нулю, а неметаллов – номеру группы минус восемь.

Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю.

Навигация

• Решение комбинированных задач на основе количественных характеристик вещества
• Решение задач. Закон постоянства состава веществ. Вычисления с использованием понятий «молярная масса» и «химическое количество» вещества
• Решение расчетных задач на основе количественных характеристик вещества и стехиометрических законов
• Решение расчетных задач на основе законов газового состояния вещества
• Электронная конфигурация атомов. Строение электронных оболочек атомов первых трех периодов

Учимся определять валентность и степень окисления. Практика показывает, что многие обучающиеся испытывают затруднения при определении валентности и степени окисления. Пособие направлено на овладение основополагающими химическими понятиями валентность и степень окисления, формирование умения давать количественные оценки и проводить расчеты валентности и степени окисления по химическим формулам в неорганических и органических соединениях, а также способствует подготовке студентов для сдачи ЕГЭ. Пособие направлено на формирование навыков самостоятельной работы с учебным материалом, осуществления поиска и использования информации, формирование и развитие творческого потенциала, повышение интереса к дисциплине. Валентность и степень окисления. Правила определения степеней окисления элементов I . Валентность Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов. Правила определения валентности элементов в соединениях 2) Атом металла стоит в формуле на первое место. 2) В формулах соединений атом неметалла, проявляющий низшую валентность, всегда стоит на втором месте, а название такого соединения оканчивается на «ид». Например, СаО – оксид кальция, NaCl – хлорид натрия, PbS – сульфид свинца. Теперь вы сами можете написать формулы любых соединений металлов с неметаллами. 3) Атом металла ставится в формуле на первое место. II . Степень окисления Степень окисления – это условный заряд, который получает атом в результате полной отдачи (принятия) электронов, исходя из условия, что все связи в соединении ионные. Рассмотрим строение атомов фтора и натрия: - Что можно сказать о завершённости внешнего уровня атомов фтора и натрия? - Какому атому легче принять, а какому легче отдать валентные электроны с целью завершения внешнего уровня? Оба атома имеют незавершённый внешний уровень? Атому натрия легче отдавать электроны, фтору – принять электроны до завершения внешнего уровня. F0 + 1ē → F-1 (нейтральный атом принимает один отрицательный электрон и приобретает степень окисления «-1», превращаясь в отрицательно заряженный ион - анион ) Na0 – 1ē → Na+1 (нейтральный атом отдаёт один отрицательный электрон и приобретает степень окисления «+1», превращаясь в положительно заряженный ион - катион ) Как определить степень окисления атома в ПСХЭ? Правила определения степени окисления атома в ПСХЭ: 1. Водород обычно проявляет степень окисления (СО) +1 (исключение, соединения с металлами (гидриды) – у водорода СО равна (-1) Me+nHn-1) 2. Кислород обычно проявляет СО -2 (исключения: О+2F2, H2O2-1 – перекись водорода) 3. Металлы проявляют только + n положительную СО 4. Фтор проявляет всегда СО равную -1 (F-1) 5. Для элементов главных подгрупп : Высшая СО (+) = номеру группыN группы Низшая СО (-) = N группы –8 Правила определения степени окисления атома в соединении: I. Степень окисления свободных атомов и атомов в молекулах простых веществ равнанулю - Na0, P40, O20 II. В сложном веществе алгебраическая сумма СО всех атомов с учётом их индексов равна нулю = 0 , а в сложном ионе его заряду. Например, H +1 N +5 O 3 -2 : (+1)*1+(+5)*1+(-2)*3 = 0 [ S +6 O 4 -2 ]2- : (+6)*1+(-2)*4 = -2 Задание 1 – определите степени окисления всех атомов в формуле серной кислоты H2SO4? 1. Проставим известные степени окисления у водорода и кислорода, а СО серы примем за «х» (+1)*1+(х)*1+(-2)*4=0 Х=6 или (+6), следовательно, у серы CО +6, т. е. S+6 Задание 2 – определите степени окисления всех атомов в формуле фосфорной кислоты H3PO4? 1. Проставим известные степени окисления у водорода и кислорода, а СО фосфора примем за «х» 2. Составим и решим уравнение, согласно правилу (II): (+1)*3+(х)*1+(-2)*4=0 Х=5 или (+5), следовательно, у фосфора CО +5, т. е. P+5 Задание 3 – определите степени окисления всех атомов в формуле иона аммония (NH4)+? 1. Проставим известную степень окисления у водорода, а СО азота примем за «х» 2. Составим и решим уравнение, согласно правилу (II): (х)*1+(+1)*4=+1 Х=-3, следовательно, у азота CО -3, т. е. N-3 Алгоритм составления формулы по степени окисления Составление названий бинарных соединений Сравним понятия «валентность» и «степень окисления»:

Запомни!

Валентность - - это способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами.

Правила определения валентности

1. В молекулах простых веществ: H2, F2, Cl2, Br2, I2 равна единице.

2. В молекулах простых веществ: O2, S8 равна двум.

3. В молекулах простых веществ: N2, P4 и CO - оксиде углерода (II) - равна трем.

4. В молекулах простых веществ, которые образует углерод (алмаз, графит), а также в органических соединениях, которые он образует, валентность углерода равна четырем.

5. В составе сложных веществ водород одновалентен, кислород, в основном, двухвалентен. Для определения валентности атомов других элементов в составе сложных веществ надо знать строение этих веществ.

Степень окисления – это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (с ионной и ковалентной полярной связью) состоят только из ионов.

Высшая степень окисления элемента равна номеру группы.

Исключения:

фтор высшая степень окисления ноль в простом веществе F20

кислород высшая степень окисления +2 во фториде кислорода О+2F2

Низшая степень окисления элемента равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые атом элемента может принять до завершенного восьми электронного уровня)

Правила определения степени окисления (далее обозначим: ст. ок.)

Общее правило: Сумма всех степеней окисления элементов в молекуле с учетом количества атомов равна нулю (Молекула электронейтральна.), в ионе - равна заряду иона.

I. Степень окисления простых веществ равна нулю: Са 0 , O2 0 , Cl2 0

II. ст. ок. в бинарных c оединениях:

Менее электроотрицательный элемент ставится на первое место. (Исключения: С-4Н4+ метан и N-3H3+аммиак)

Нужно помнить, что

Ст. ок. металла всегда положительна

Ст. ок. металлов I, II, III групп главных подгрупп постоянна и равна номеру группы

Для остальных ст. ок. вычисляется по общему правилу.

Более электроотрицательный элемент ставится на второе место, его ст. ок. равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые он принимает до завершенного восьми электронного уровня).

Исключения: пероксиды, например, Н2+1О2-1, Ba+2O2-1 и др. ; карбиды металлов I и II групп Ag2+1C2-1,Ca+2C2-1 и др. (В школьном курсе встречается соединение FeS2 - пирит. Это дисульфид железа. Степень окисления серы в нем (-1) Fe+2S2-1). Это происходит потому, что в этих соединениях есть связи между одинаковыми атомами -О-О-, - S-S-, тройная связь в карбидах между атомами углерода. Степень окисления и валентность элементов в этих соединениях не совпадают: у углерода валентность IV, у кислорода и серы II.

III. Степень окисления в основаниях Ме + n (ОН) n равна количеству гидроксогрупп.

1. в гидроксогруппе ст. ок. кислорода -2, водорода +1, заряд гидроксогруппы 1-

2. ст. ок. металла равна количеству гидроксогрупп

IV. Степень окисления в кислотах:

1. ст. ок. водорода +1, кислорода -2

2. ст. ок. центрального атома вычисляется по общему правилу путем решения простого уравнения

Например, Н3+1РхО4-2

3∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0

3 + х – 8 = 0

х = +5 (не забудьте знак +)

Можно запомнить, что у кислот с высшей степени окисления центрального элемента, соответствующего номеру группы, название будет заканчиваться на –ная:

Н2СО3 угольная Н2С+4О3

Н2SiО3 кремниевая (искл.) Н2Si+4О3

НNО3 азотная НN+5О3

Н3PО4 фосфорная Н3P+5О4

Н2SО4 серная Н2S+6О4

НСlО4 хлорная НCl+7О4

НMnО4 марганцовая НMn+7О4

Останется запомнить:

НNО2 азотистая НN+3О2

Н2SО3 сернистая Н2S+4О3

НСlО3 хлорноватая НCl+5О3

НСlО2 хлористая НCl+3О2

НСlОхлорноватистая НCl+1О

V. Степень окисления в солях

у центрального атома такая же, как в кислотном остатке. Достаточно помнить или определить ст. ок. элемента в кислоте.

VI. Степень окисления элемента в сложном ионе равна заряду иона.

Например, NH4+Cl- : записываем ион NхН4+1

х + 4∙(+1) = +1

ст. ок. азота -3

Например, определить ст. ок. элементов в гексацианоферрате(III) калия К3

У калия +1: К3+1, отсюда заряд иона 3-

У железа +3 (указано в названии) 3-, отсюда (CN)66-

У одной группы (CN)-

Более электроотрицательный азот: у него -3, отсюда (CхN-3)-

ст. ок. углерода +2

VII. Степень окисления углерода в органических соединениях разнообразна и вычисляется, исходя из учета того, что ст. ок. водорода равна +1, кислорода -2

Например, С3Н6

3∙х + 6∙1 = 0

ст. ок. углерода -2 (при этом валентность углерода равна IV)

Задание. Определить степень окисления и валентность фосфора в фосфорноватистой кислоте H3PO2.

Вычислим степень окисления фосфора.

Обозначим её за х. Подставим степень окисления водорода +1, а кислорода -2, умножив на соответствующее количество атомов: (+1) ∙ 3 + х + (-2) ∙ 2 = 0, отсюда х = +1.

Определим валентность фосфора в этой кислоте.

Известно, что это - одноосновная кислота, поэтому только один атом водорода связан с атомом кислорода. Учитывая, что водород в соединениях одновалентен, а кислород - двухвалентен, получаем структурную формулу, из которой видно, что фосфор в этом соединении имеет валентность пять.

Графический метод определения степени окисления

в органических веществах

В органических веществах можно определять степени окисления элементов алгебраическим методом , при этом получается усредненное значение степени окисления . Этот метод наиболее применим в том случае, если все атомы углерода органического вещества по окончании реакции приобрели одинаковую степень окисления (реакции горения или полного окисления).

Рассмотрим такой случай:

Пример 1 . Обугливание дезоксирибозы серной концентрированной кислотой с дальнейшим окислением:

С5Н10О4 + H2SO4 ® CO2 + H2O + SO2

Найдём степень окисления углерода х в дезоксирибозе: 5х + 10 – 8 = 0; х = - 2/5

В электронном балансе учитываем все 5 атомов углерода: