Ступінь окиснення

Ступінь окиснення — це умовний заряд на атомі в молекулі або кристалі, який би виник на ньому, коли б усі полярні зв’язки, утворені ним, мали іонний характер.

На відміну від валентності, ступінь окиснення може бути позитивним, негативним або дорівнювати нулю. У найпростіших іонних сполуках ступінь окиснення збігається із зарядами іонів. Наприклад, у натрій хлоридіNaCl (Na⁺Cl^-) Натрій має ступінь окиснення +1, а Хлор -1, у кальцій оксиді СаО (Са⁺²О^-2) Кальцій виявляє ступінь окиснення +2, а Оксисен - -2. Це правило поширюється на всі основні оксиди: ступінь окиснення металічного елемента дорівнює заряду іона металу (Натрію +1, Барію +2, Алюмінію +3), а ступінь окиснення Оксигену дорівнює -2. Ступінь окиснення позначають арабськими цифрами, які ставлять над символом елемента, подібно до валентності, причому спочатку вказують знак заряду, а потім його чисельне значення:

Якщо модуль ступеня окиснення дорівнює одиниці, то число «1» можна не ставити й писати тільки знак: Na⁺Cl^-.

Ступінь окиснення й валентність — споріднені поняття. У багатьох сполуках абсолютна величина ступеня окиснення елементів збігається з їхньою валентністю. Однак існує чимало випадків, коли валентність відрізняється від ступеня окиснення.

У простих речовинах — неметалах існує ковалентний неполярний зв’язок, спільна електронна пара не зміщується до жодного з атомів, тому ступінь окиснення елементів у простих речовин завжди дорівнює нулю. Але атоми один з одним зв’язані, тобто проявляють певну валентність, як, наприклад, у кисні валентність Оксигену дорівнює II, а в азоті валентність Нітрогену — III:

У молекулі гідроген пероксиду валентність Оксигену також дорівнює II, а Гідрогену — І:

Н–О–О-Н.

Але ступінь окиснення Оксигену в цій сполуці дорівнює -1.

Хоча ступінь окиснення й валентність — різні поняття, іноді їх уживають одне замість іншого. Так, якщо говорять про те, що валентність Натрію в натрій хлориді дорівнює І, то мають на увазі ступінь окиснення Натрію, що дорівнює +1. У загалі металічні елементи рідко утворюють ковалентні зв’язки, тому під валентністю металічних елементів у сполуках мають на увазі їхній ступінь окиснення. Наприклад, називаючи речовину ферум(ІІІ) оксидом, мають на увазі, що Ферум у цій сполуці проявляє ступінь окиснення +3.

Визначення можливих ступенів окиснення елементів

Ступені окиснення, які елементи можуть проявляти в різних сполуках, у більшості випадків можна визначити за будовою зовнішнього електронного рівня або за місцем елемента в Періодичній системі.

Атоми металічних елементів можуть тільки віддавати електрони, тому в сполуках вони проявляють позитивні ступені окиснення. Його абсолютне значення в багатьох випадках (за винятком d-елементів) дорівнює числу електронів на зовнішньому рівні, тобто номеру групи в Періодичній системі. Атоми d-елементів можуть віддавати також електрони з передзовнішнього рівня, а саме — з незаповнених d-орбіталей. Тому для d-елементів визначити всі можливі ступені окиснення значно складніше, ніж для s- і р-елементів. З упевненістю можна стверджувати, що більшість d-елементів виявляють ступінь окиснення +2 завдяки електронам зовнішнього електронного рівня, а максимальний ступінь окиснення в більшості випадків дорівнює номеру групи.

Атоми неметалічних елементів можуть виявляти як позитивні, так і негативні ступені окиснення, залежно від того, з атомом якого елемента вони утворюють зв’язок. Якщо елемент більш електронегативний, то він проявляє негативний ступінь окиснення, а якщо менш електронегативний — позитивний.

Абсолютне значення ступеня окиснення неметалічних елементів можна визначити за будовою зовнішнього електронного шару. Атом здатний прийняти стільки електронів, щоб на його зовнішньому рівні розташувалося вісім електронів: неметалічні елементи VII групи приймають один електрон і виявляють ступінь окиснення -1, VI групи — два електрони й виявляють ступінь окиснення -2 тощо.

Неметалічні елементи здатні віддавати різне число електронів: щонайбільше стільки, скільки розташовано на зовнішньому енергетичному рівні. Інакше кажучи, максимальний ступінь окиснення неметалічних елементів дорівнює номеру групи. Завдяки промотуванню електронів на зовнішньому рівні атомів число неспарених електронів, які атом може віддавати в хімічних реакціях, буває різним, тому неметалічні елементи здатні виявляти різні проміжні значення ступеня окиснення.

Можливі ступені окиснення s- і р-елементів

Визначення ступенів окиснення в сполуках

Будь-яка молекула електронейтральна, тому сума ступенів окиснення атомів усіх елементів повинна дорівнювати нулю. Визначимо ступінь окиснення в сульфур(ІV) оксиді SO₂ тауфосфор(V) сульфіді P₂S₅.

Сульфур(ІV) оксид SO₂ утворений атомами двох елементів. З них електронегативність більша в Оксигену, тому атоми Оксигену будуть мати негативний ступінь окиснення. Для Оксигену він дорівнює -2. У цьому разі Сульфур виявляє позитивний ступінь окиснення. У різних сполуках Сульфур може виявляти різні ступені окиснення, тому в цьому разі його необхідно обчислити. У молекулі SO₂ два атоми Оксигену зі ступенем окиснення -2, тому спільний заряд атомів Оксигену дорівнює -4. Для того, щоб молекула була електронейтральною, атом Сульфуру має повністю нейтралізувати заряд обох атомів Оксигену, тому ступінь окиснення Сульфуру дорівнює +4:

У молекулі фосфор(V) сульфіду P₂S₅ більш електронегативним елементом є Сульфур, тобто він виявляє негативний ступінь окиснення, а Фосфор — позитивний. Для Сульфуру негативний ступінь окиснення становить тільки -2. Разом п’ять атомів Сульфуру несуть негативний заряд, що дорівнює -10. Тому два атоми Фосфору мають нейтралізувати цей заряд зі спільним зарядом +10. Оскільки атомів Фосфору в молекулі два, то кожний повинен мати ступінь окиснення +5:

Складніше обчислювати ступінь окиснення не в бінарних сполуках — солях, основах та кислотах. Але для цього також слід скористатися принципом електронейтральності, а ще пам’ятати про те, що в більшості сполук ступінь окиснення Оксигену становить -2, Гідрогену +1.

Розгляньмо це на прикладі калій сульфату K₂SO₄.Ступінь окиснення Калію в сполуках може бути тільки +1, а Оксигену -2:

Із принципу електронейтральності обчислюємо ступінь окиснення Сульфуру:

2 (+1) + 1 (х) + 4 (-2) = 0, звідки х = +6.

При визначенні ступенів окиснення елементів у сполуках слід дотримуватися таких правил:

1. Ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю.

2. Флуор — найбільш електронегативний хімічний елемент, тому ступінь окиснення Флуору у всіх сполуках дорівнює -1.

3. Оксиген — найбільш електронегативний елемент після Флуору, тому ступінь окиснення Оксигену у всіх сполуках, окрім фторидів, негативний: у більшості випадків він дорівнює -2, а в пероксидах - -1.

4. Ступінь окиснення Гідрогену в більшості сполук дорівнює +1, а в сполуках з металічними елементами (гідридах) - -1.

5. Ступінь окиснення металів у сполуках завжди позитивний.

6. Більш електронегативний елемент завжди має негативний ступінь окиснення.

7. Сума ступенів окиснення всіх атомів у молекулі дорівнює нулю.