Степень окисления элементов: как определить

Что такое степень окисления

В соединении электроны связей смещаются к атому с большей электроотрицательностью. Степень окисления описывает это смещение так, будто оно полное: атом, «отдавший» электроны, получает положительную степень окисления, «принявший» — отрицательную. В хлороводороде HCl общая пара электронов смещена к хлору, поэтому у водорода +1, у хлора −1.

Степень окисления записывают над символом элемента, знак ставят перед цифрой: H⁺¹Cl⁻¹, S⁺⁶. Заряд иона пишут наоборот — цифра, потом знак: Fe³⁺, SO₄²⁻. Так реальный заряд иона не путают с условной величиной.

Степень окисления бывает положительной, отрицательной, нулевой и даже дробной. Это условность, но очень удобная: на ней построены названия веществ, окислительно-восстановительные реакции и метод электронного баланса. Почему электроны смещаются, объясняют электроотрицательность и химическая связь.

Правила определения степени окисления

1. В простом веществе степень окисления равна 0: O₂, N₂, Cl₂, Fe, Cu.
2. Фтор во всех соединениях имеет −1: это самый электроотрицательный элемент.
3. Кислород обычно −2. Исключения: пероксиды, где −1 (H₂O₂, Na₂O₂), и фторид кислорода OF₂, где +2.
4. Водород в соединениях с неметаллами +1 (H₂O, NH₃, HCl), а в гидридах металлов −1 (NaH, CaH₂).
5. Металлы в соединениях имеют только положительные степени окисления. Постоянные: щелочные металлы (Li, Na, K) +1; Be, Mg, Ca, Ba, Zn +2; Al +3.
6. Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна 0.
7. Сумма степеней окисления в сложном ионе равна заряду иона: в SO₄²⁻ она −2, в NH₄⁺ — +1. У простого иона степень окисления равна его заряду: Cl⁻ — −1, Fe³⁺ — +3.

Совет: начинайте с элементов, у которых степень окисления известна заранее (F, O, H, металлы I–III групп главных подгрупп), и только потом считайте остальные.

Как определить степень окисления в соединении

1. Выпишите известные степени окисления (обычно O −2, H +1, металл I–II группы).
2. Умножьте каждую на индекс — число атомов этого элемента.
3. Неизвестную степень окисления обозначьте x и тоже умножьте на индекс.
4. Приравняйте сумму к нулю (для молекулы) или к заряду иона и решите уравнение.

Серная кислота H₂SO₄

Водород: 2 · (+1) = +2. Кислород: 4 · (−2) = −8. Сера: x. Уравнение: +2 + x − 8 = 0, x = +6. В H₂SO₄ сера в высшей степени окисления +6.

Перманганат калия KMnO₄

Калий +1, кислород 4 · (−2) = −8. Тогда +1 + x − 8 = 0, x = +7. Марганец в KMnO₄ имеет +7 — поэтому марганцовка сильный окислитель: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂↑ + 8H₂O.

Дихромат калия K₂Cr₂O₇

Калий 2 · (+1) = +2, кислород 7 · (−2) = −14, два атома хрома — 2x. Уравнение: +2 + 2x − 14 = 0, 2x = +12, x = +6. В K₂Cr₂O₇ хром +6.

Нитрат аммония NH₄NO₃

Здесь два атома азота в разных ионах, и считать надо по отдельности. В катионе NH₄⁺: x + 4 · (+1) = +1, x = −3. В анионе NO₃⁻: x + 3 · (−2) = −1, x = +5. Итак, в NH₄NO₃ азот имеет −3 и +5. Если посчитать «в среднем» по всей формуле, выйдет +1 — такого атома азота в веществе нет. Зато при нагревании азот −3 и +5 «встречаются» именно на +1: NH₄NO₃ → N₂O↑ + 2H₂O.

Железная окалина Fe₃O₄

Кислород 4 · (−2) = −8, три атома железа: 3x = +8, x = +8/3. Это средняя степень окисления. На самом деле в Fe₃O₄ один атом железа +2 и два атома +3 (FeO·Fe₂O₃): +2 + 2 · (+3) = +8. Дробная степень окисления — признак того, что одинаковые атомы в веществе находятся в разных состояниях.

Степени окисления элементов: таблица

В таблице ниже — характерные степени окисления элементов. У металлов главных подгрупп она обычно одна, а у неметаллов и переходных металлов их несколько. Например, сера встречается в степенях окисления −2, 0, +4 и +6:

• −2 — сероводород H₂S и сульфиды (Na₂S, FeS);
• 0 — простое вещество S;
• +4 — сернистый газ SO₂ и сульфиты (Na₂SO₃);
• +6 — SO₃, серная кислота и сульфаты (CuSO₄).

Азот — от −3 в NH₃ до +5 в HNO₃, хлор — от −1 в HCl до +7 в хлорной кислоте HClO₄, марганец — +2 в MnSO₄, +4 в MnO₂, +6 в K₂MnO₄ и +7 в KMnO₄.

Не нашлось.

Выделены типичные степени окисления, которые встречаются в школьном курсе.

Высшая и низшая степень окисления

Высшая степень окисления элемента главной подгруппы равна номеру группы (в коротком варианте таблицы Менделеева): для элементов I–VII групп это от +1 до +7. Низшая степень окисления неметалла равна номеру группы минус 8. Металлы в соединениях отрицательных степеней окисления не имеют, их низшая степень окисления — 0.

Исключения: у фтора положительных степеней окисления нет, у кислорода высшая +2 и только в OF₂. В побочных подгруппах правило работает не всегда: медь в коротком варианте таблицы стоит в I группе, но чаще имеет +2.

По степени окисления предсказывают роль вещества в ОВР. Атом в высшей степени окисления может только принимать электроны — вещество будет окислителем (KMnO₄, HNO₃). В низшей — только отдавать, это восстановитель (H₂S, NH₃). В промежуточной — и то и другое: SO₂ окисляется бромной водой (SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr) и сам окисляет сероводород (2H₂S + SO₂ → 3S↓ + 2H₂O).

Степень окисления и валентность: в чём разница

Обе величины часто совпадают по числу, поэтому их путают. Различия такие:

• валентность — число связей атома, у неё нет знака; степень окисления — условный заряд, со знаком;
• в простом веществе степень окисления 0, а валентность нет: в молекуле N₂ тройная связь N≡N, азот трёхвалентен;
• степень окисления может быть дробной, валентность — только целой;
• атом с одной и той же валентностью может иметь разные степени окисления. Углерод в органических веществах всегда четырёхвалентен, а степень окисления у него −4 в CH₄, −2 в CH₃OH, 0 в HCHO, +2 в HCOOH и +4 в CO₂.

Как определять валентность и составлять по ней формулы, разобрано на странице валентность.

Где нужна степень окисления

Главное применение — окислительно-восстановительные реакции. В них степени окисления меняются: окислитель принимает электроны и понижает свою степень окисления, восстановитель отдаёт их и повышает. В реакции Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu железо переходит из 0 в +2, а медь — из +2 в 0:

Fe⁰ − 2e⁻ → Fe⁺² (окисление, Fe — восстановитель)
Cu⁺² + 2e⁻ → Cu⁰ (восстановление, Cu⁺² — окислитель)

Эту реакцию проводят в опыте «Железо и медный купорос»: железо покрывается красным налётом меди. Число отданных и принятых электронов совпадает — на этом основан метод электронного баланса, который разобран на страницах ОВР и как расставить коэффициенты.

Ещё степень окисления нужна для названий веществ — FeCl₂ называют хлоридом железа(II), FeCl₃ — хлоридом железа(III), — для определения характера оксидов и гидроксидов (см. оксиды) и в экзаменационных заданиях, где её нужно найти в сложном ионе.

Проведите опыт онлайн

Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.

Читайте также

• Валентность химических элементов
• Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)
• Как расставить коэффициенты в уравнениях
• Интерактивная таблица Менделеева
• Оксиды: основные, кислотные и амфотерные
• Виды химической связи
• ЕГЭ по химии: теория по заданиям, реакции и опыты онлайн

Частые вопросы