Як визначити ступінь окислення

Всі хімічні речовини складаються з молекул, які є дрібними частками. Вони електронейтральні і складаються з атомів, які пов`язані ковалентними зв`язками. Здатність атомів хімічних елементів утворювати в молекулах певне число зв`язків прийнято називати валентностью. У зв`язку з виникненням і розвитком теорії хімічних зв`язків це поняття зазнало істотних змін і в даний час не має чіткого наукового тлумачення, використовується в основному в методичних цілях і часто ототожнюється зі ступенем окислення. Якщо молекула - це дрібна частка речовини, то атом є найменшою неподільною часткою хімічного елемента. Атом являє собою також електронейтральної частинку, в центрі його є ядро, що складається з позитивно заряджених протонів, а навколо нього знаходиться хмара з електронів (негативно заряджені). Тому відбувається урівноваження позитивного заряду ядра негативним зарядом електронів. Щоб зрозуміти, як визначити ступінь окислення і що це таке, потрібно розглянути будову молекул конкретних речовин.

У молекулі хлористого водню (HCl) між воднем і хлором існує одна загальна пара електронів. Атом водню має 1 протон і 1 електрон. Атом хлору має 17 протонів і 17 електронів, один з 7 електронів, що знаходяться в зовнішній оболонці електронної щільності об`єднався з електроном водневого атома, утворивши, таким чином, електронну пару: H: Cl. У молекулі H2S атом сірки утворив 2 загальні пари електронів з обома атомами водню: H: S: H. Як визначити ступінь окислення елемента, наприклад, хлору і водню в молекулі HCl і водню і сірки в молекулі H2S? Валентність дає уявлення про кількість що утворилися в молекулі зв`язків або електронних пар, але не показує на їх зміщення.

Передбачається, що електрони атомів в молекулі об`єднані в електронні пари, які зрушені до найбільш елекроотріцательному атому. Водень і хлор в HCl здатні вступити в одну зв`язок, який зрушена до атома хлору, тому що він найбільш електронегативний. Таким чином, у водню ступінь окислення дорівнює плюс 1, а у хлору - мінус 1. Кожен водневий атом в молекулі H2S вступає в одну зв`язок з атомом сірки, який, у свою чергу, має дві зв`язку. Обидві електронні пари в цьому випадку зрушені до атома сірки. Тому у водню ступінь окислення дорівнює плюс 1, а у атома сірки - мінус 2. Як визначити ступінь окислення речовини, наприклад, HCl, H2S, O2, N2, Na, Ag, Si? Ступінь окислювання простого або складного речовини завжди дорівнює 0, так як речовина складається з молекул або атомів, а вони електронейтральні. Виходячи з цього, знаходять ступінь окислення елемента в молекулі.

На прикладі з хлорнуватисту кислотою можна розглянути, як визначити ступінь окислення для атома Cl. У молекулі HClO, як і в молекулі будь-якого іншого речовини, водень завжди (крім гідридів) характеризується ступенем окислення плюс 1, а кисень завжди - ступенем окислення мінус 2 (крім пероксиду барію і фториду кисню). Так як сама молекула не має заряду, то можна записати рівняння: (+1) + х + (- 2) = 0. Це рівняння потрібно вирішити: х = 0 - (+1) - (-2) = (+1) , таким чином, виходить, що ступінь окислення Cl в молекулі хлорнуватисту кислоти дорівнює плюс 1. Наведений приклад показує, як визначити ступінь окислення конкретного елемента в будь молекулі. В першу чергу, розставляють відомі значення тих елементів, валентність або ступінь окислення яких не змінюються.

Таким чином, ступенем окислення називається умовна величина (формальний заряд атома в молекулі), застосовувана для запису рівнянь реакцій, пов`язаних з окисленням або відновленням різних речовин. Ця величина дорівнює кількості пар електронів, які повністю зрушені в бік електронегативних хімічних елементів молекули. Ступінь окислювання записують над умовним позначенням атома. Такий запис вказує, як визначити ступінь окислення конкретного елемента в молекулі будь-якої речовини. Наприклад, запис (Na + 1Cl-1) слід розуміти, що в молекулі кухонної солі ступінь окислення натрію плюс 1, а хлору мінус 1, таким чином: (+1) + (-1) = 0. У молекулі перманганату калію (K + 1Mn + 7O-24) для калію плюс 1, для марганцю плюс 7, для кисню мінус 2, тобто: (+1) + (+7) + 2bull - (- 2) = 0. У молекулі кислоти азотної (H + 1N + 5O-23) для водню плюс 1, для азоту плюс 5, для кисню мінус 2, а молекула в цілому електронейтральна: (+1) + (+5) + 3bull - (- 2) = 0. В молекулі азотної кислоти (H + 1N + 3O-22), для водню плюс 1, для азоту плюс 3, для кисню мінус 2, так як заряд молекули дорівнює нулю, то: (+1) + (+3) + 2• ( -2) = 0. На прикладі азоту видно, що цей атом може мати в різних речовинах різні ступені окислення від плюс 5 до мінус 3 (з інтервалом в одну одиницю).