ЕГЭ по химии, задание 3: расставьте степени окисления элементов в веществах.
Электроотрицательность — способность атома смещать к себе электроны других атомов. Атом с большей электроотрицательностью притягивает электронную плотность и получает частичный отрицательный заряд δ−, другой атом — частичный положительный заряд δ+. Самый электроотрицательный элемент — фтор.
Степень окисления — условный заряд, который приобретает атом вследствие отдачи или присоединения электронов: натрий отдаёт электрон и становится катионом Na+, хлор принимает его и становится анионом Cl−.
1. Степень окисления элемента в простом веществе равна 0.
2. Сумма степеней окисления всех атомов в соединении равна 0, а в ионе — заряду иона. Число атомов (индекс) умножаем на степень окисления.
Некоторые элементы всегда имеют в соединениях одну и ту же степень окисления:
| Элемент | Степень окисления | Примеры |
|---|---|---|
| Щелочные металлы (IA группа): Li, Na, K, Rb, Cs | +1 | , , |
| Элементы II группы (кроме Hg): Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn | +2 | , , |
| Алюминий Al | +3 | , |
| Фтор F | −1 | , |
Некоторые элементы чаще всего имеют одну и ту же степень окисления:
| Элемент | Степень окисления | Примеры |
|---|---|---|
| Водород H | +1 | , , |
| Кислород O | −2 | , , |
| Случай | Степень окисления | Примеры |
|---|---|---|
| Водород с металлами (гидриды) | −1 | , , |
| Кислород в пероксидах | −1 | , , |
| Кислород со фтором | +1, +2 | , |
| Сера в пирите | −1 | |
| Углерод в карбидах с группой C2 (связь C≡C) | −1 | , , |
| Водород в силане (водород электроотрицательнее кремния) | −1 | |
| Хлор с азотом (азот электроотрицательнее хлора) | +1 |
В пероксидах атомы кислорода связаны друг с другом (–O–O–), в пирите так же связаны атомы серы (S–S), в карбидах CaC2, Na2C2, K2C2 — атомы углерода (C≡C): поэтому у них −1, а не −2 и не −4. В Al4C3 связей C–C нет — там углерод −4. В пирите железо +2: если взять серу −2, вышло бы Fe +4, а для железа характерны +2 и +3.
Высшая степень окисления положительна и равна номеру группы: B +3 (III группа), C +4 (IV), N +5 (V). Исключения: кислород (VI группа) — высшая +2, фтор (VII) — 0, железо (VIII) — +6, медь (I) — +2.
Низшая степень окисления элементов IV–VII групп главных подгрупп равна № группы − 8: Si −4, P −3, S −2, Cl −1. У металлов низшая степень окисления равна 0: Na, Pb, Fe, Cr.
Промежуточная степень окисления некоторых элементов IV–VII групп главных подгрупп равна № группы − 2: Si +2, P +3, S +4, Cl +5.
| Элемент | Степени окисления |
|---|---|
| C | все от −4 до +4 |
| N | все от −3 до +5 |
| P | −3, 0, +1, +3, +5 |
| S | −2, −1, 0, +2, +4, +6 |
| Cl, Br, I | −1, +1, +3, +5, +7 |
| Fe | 0, +2, +3, +6 |
| Cr | 0, +2, +3, +6 |
| Mn | 0, +2, +4, +6, +7 |
| Cu | 0, +1, +2 |
В ионе сумма равна заряду иона:
Если вещество содержит сложный анион (NO3−, SO42− и др.), то для элемента, связанного с этим анионом, в уравнение записывают заряд иона (заряды ионов — в таблице растворимости):
Комплексное соединение — так же: внешняя сфера даёт заряд комплексного иона, а по нему находят центральный атом. Группа OH в комплексе — гидроксид-ион с зарядом −1.
| Анион | Какие элементы образуют | Примеры | Названия |
|---|---|---|---|
| ЭO− | Cl, Br, I | ClO−, BrO− | гипохлорит, гипобромит |
| ЭO2− | Cl, Br, I, N, Fe, Cr, Al | ClO2−, BrO2−, NO2−, CrO2−, AlO2− | хлорит, бромит, нитрит, хромит, метаалюминат |
| ЭO3− | Cl, Br, I, N, P | ClO3−, BrO3−, IO3−, NO3−, PO3− | хлорат, бромат, иодат, нитрат, метафосфат |
| ЭO4− | Cl, Br, I, Mn | ClO4−, MnO4− | перхлорат, перманганат |
| ЭO22− | Be, Zn, Sn, Pb | BeO22−, ZnO22− | бериллат, цинкат |
| ЭO32− | C, Si, S, Se, Ti | CO32−, SiO32−, SO32−, SeO32− | карбонат, силикат, сульфит, селенит |
| ЭO42− | S, Se, Cr, Mn, Fe | SO42−, CrO42−, MnO42−, FeO42− | сульфат, хромат, манганат, феррат |
Ещё в тренажёре: Cr2O72− — дихромат, PO43− — фосфат. Кислые остатки — с приставкой «гидро-»: HSO4− — гидросульфат, HSO3− — гидросульфит, HCO3− — гидрокарбонат, HPO42− — гидрофосфат, H2PO4− — дигидрофосфат, HS− — гидросульфид. Бескислородные — на «-ид»: F− — фторид, Cl− — хлорид, Br− — бромид, I− — иодид, S2− — сульфид, N3− — нитрид, P3− — фосфид, C4− — карбид, Si4− — силицид, H− — гидрид; O22− — пероксид.
Название соли — анион и катион в родительном падеже; у металла с разными степенями окисления она пишется римской цифрой: сульфат железа(III) — Fe2(SO4)3 (железо +3).
Для того чтобы определить степень окисления на атомах углерода, следует:
Сумма степеней окисления всех атомов по-прежнему 0. Степень окисления углерода бывает любой — от −4 до +4, а валентность углерода в органических веществах всегда IV.
Валентность — способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других химических элементов: в H–Cl у хлора одна связь (валентность I), в H–O–H у кислорода две (II), в NH3 у азота три (III), в CH4 у углерода четыре (IV).
Валентные возможности атома зависят от его электронного строения: от числа неспаренных электронов, неподелённых электронных пар и свободных орбиталей на внешнем энергетическом уровне. Связь образуется по обменному механизму (каждый атом даёт по электрону) или по донорно-акцепторному (один атом даёт неподелённую пару, другой — свободную орбиталь).
Сера: в основном состоянии два неспаренных электрона — валентность II (H2S); в возбуждённых состояниях электроны переходят на 3d-подуровень — валентность IV (SO2) и VI (SO3).
Азот: возбуждённого состояния нет (на внешнем уровне нет свободных орбиталей), три неспаренных электрона — валентность III; за счёт неподелённой пары — ещё одна связь по донорно-акцепторному механизму, валентность IV (NH4+). Высшая валентность азота — IV, а не V.
Связь по донорно-акцепторному механизму есть в катионе аммония (NH4Cl, NH4NO3), в солях аминов ([CH3–NH3]Cl), в соединениях азота +5 (N2O5, HNO3), в угарном газе CO, в озоне O3 и в комплексных соединениях (Na2[Zn(OH)4], Na[Al(OH)4]).
Чаще всего валентность численно равна степени окисления: в CH4 у углерода IV и −4, в NH3 у азота III и −3, в H2O у кислорода II и −2, в HCl у хлора I и −1. Исключения:
| Вещество | Степень окисления | Валентность |
|---|---|---|
| Простые вещества H2, F2, Cl2, Br2, I2 | 0 | I |
| O2, S8 | 0 | II |
| N2, P4 | 0 | III |
| C (алмаз, графит) | 0 | IV |
| Азот в NH4+ | −3 | IV |
| Азот в HNO3, N2O5 | +5 | IV |
| Угарный газ CO: углерод / кислород | +2 / −2 | III / III |
| Кислород в пероксидах H2O2, Na2O2, CaO2 | −1 | II |
| Сера в пирите FeS2 | −1 | II |
| Углерод в органических веществах (CH4, CH3OH, CH3COOH) | от −4 до +4 | всегда IV |
