Степень (состояние) окисления элемента
Пользуясь представлением об электроотрицательности элементов, можно дать оценку т.н. степени окисления элемента в соединении.
Под степенью окисления[1] понимают условный заряд атома элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединение состоит из ионов и валентные электроны оттянуты к наиболее электроотрицательному атому. Степень окисления может быть положительной, отрицательной, нулевой, дробной и обозначается арабской цифрой со знаком «+» или «–» перед ней, например,
Са+2О–2; Аl+3Сl3–1; Сl20; Н2+1О2–1. 2)
Для обозначения степени окисления элемента без написания формулы пользуются римскими цифрами в скобках после символа элемента, например: Fe (II), Au (III), S (IV).
Большинство элементов имеет непостоянную степень окисления. При определении степени окисления атомов элементов в соединениях руководствуются следующими правилами:
1) алгебраическая сумма степеней окисления в молекулах равна нулю, в ионах – заряду иона;
2) в простых веществах (Н2, О2 …) степень окисления элемента всегда равна нулю;
3) постоянную степень окисления имеют щелочные и щелочноземельные металлы (+1 и +2) и фтор (‑1);
4) для водорода в большинстве соединений характерна степень окисления +1, в гидридах (NaH, CaH2 …) -1;
5) степень окисления кислорода, как правило, равна –2, в пероксидах (-О-О-) –1;
6) в бинарных соединениях неметаллов с полярными ковалентными связями отрицательная степень окисления приписывается более электроотрицательному атому, например,
О+2F2–1; I+1Cl–1; H+1I–1
Учитывая вышеизложенное, зная формулу соединения, для элементов с непостоянной степенью окисления всегда можно подсчитать её значение:
N–3Н3; N2–2H4; N–1H2OH; КN+3О2; КN+5O3; КО2–1/2.
Степени окисления закономерно изменяются при переходе от одного элемента к другому в периодической системе. Высшая степень окисления обычно равна номеру группы, таким образом, в периодах высшая степень окисления растет. Исключение составляет фтор, кислород, гелий, неон, аргон, железо, кобальт, никель, элементы подгруппы меди.
Понятие степени окисления является формальным и не отвечает реальному, так называемому эффективному заряду атомов (табл.1.2).
Во многих случаях значение степени окисления элемента не совпадает и с числом образуемых им связей (валентностью). Например, для углерода в соединениях СН4; СН3ОН; СН2О; НСООН; СО2 степени окисления равны соответственно –4, –2, 0, +2, +4, в то время как его валентность во всех этих случаях равна четырем.
Несмотря на некоторую условность, степень окисления полезное понятие, которым пользуются не только при написании окислительно-восстановительных реакций, но и при составлении формул соединений и их классификации.
Таблица 1.2
Степени окисления и эффективные заряды некоторых ионов
| Вещество | Атом | Степень окисления | Эфф. заряд, q |
| HCl | Cl | -1 (I) | -0,2 |
| NaCl | Na | +1 (I) | +0,98 |
| NaBr | Na | +1 (I) | +0,83 |
| CrCl2 | Cr | +2 (II) | +1,9 |
| CrCl3 | Cr | +3 (III) | +1,2 |
| K2CrO4 | Cr | +6 (VI) | +0,2 |
Вопросы для самопроверки
1. Квантовые числа электронов. Какие значения они могут принимать и какие параметры электрона характеризуют? Чем определяется и чему равно максимально возможное число электронов на s-, p-, d- и f- подуровнях
2. Правила заполнения электронами атомных орбиталей.
Принцип минимальной энергии. Правило Гунда. Принцип Паули.
3 Какие устойчивые электронные конфигурации вызнаете? Какие орбитали в многоэлектронных атомах имеют близкие энергии?
4 Дайте понятие «эффекта проникновения» и «эффекта экранирования». Почему и как отличаются между собой эффекты проникновения к ядру s-, p-, d-, f- электронов. Как с помощью электронной конфигурации атомов и указанных свойств объяснить химическую стойкость золота Au?
5 Какие элементы называют s-, p-, d-, f- элементами? Их положение в периоде и группе. Где расположены вален-тные электроны? Какие орбитали являются валентными?
6 Запишите электронные формулы следующих атомов и ионов:
11Na и Na+; 17Cl и Cl- ; 25Mn и Mn2+ ; 24Cr3+, 27Co2+; 65Tb, Tb3+ и Tb4+.
Обоснуйте проявление атомом тербия степени окисления +4. Какие ещё так называемые аномальные степени окисления возможны у лантаноидов?
7 Как изменяются атомные радиусы в периоде, в глав-ных и побочных подгруппах?
f-Сжатие. Какое влияние оно оказывает на радиусы и свойства элементов (электронных аналогов) 5 и 6 периодов.
8 Что называется энергией ионизации? Как изменется энергия ионизации в периоде, главных и побочных подгруппах? Какие свойства элемента определяются энергией ионизации?
9 К какой группе будет принадлежать р-элемент, если его последовательные энергии ионизации J1, 2, 3…имеют следующие значения 11,2; 24,4; 47,9; 64,5; 392,0 489,0 (эВ)?
10 Сродство к электрону. Факторы, влияющие на сродство к электрону.
11 Дайте определение электроотрицательности. Почему
фтор имеет наибольшую электроотрицательность?