-Ступінь окислення

Одним з найважливіших понять загальної хімії є ступінь окислення. За допомогою величин електронегативностей елементів ступінь окислення характеризує стан ато­мів у сполуках.

Ступінь окислення – це умовний заряд, який мав би атом, коли б електрони всіх його зв'язків з іншими атомами були зміщені до більш електронегативного атома. Тобто, під ступенем окислення розуміють електричний заряд атома, обчислений, виходячи з допу­щення, що дана сполука складається з іонів. Залежно від співвідношення величин електронегативностей атоми можуть мати як по­зитивний, так і негативний ступінь окислення. Позитивний ступінь окислення визначається як кількість електро­нів, зміщених від даного атома. Негативний ступінь окислення дорівнює кількості зміщених електронів до даного атома. Ступені окислення позначають арабськими цифрами із зна­ком плюс або мінус перед цифрою, розміщують їх вгорі над символом елемента, наприклад:

+2 +3 +4 +5 +7 –2 –3

Мn, Аl, Sn, Р, Мn, S, N.

Так позначають ступінь окислення атомів у формулах сполук, зокрема в окислювально-відновних реакціях. Крім того, ступені окислення позначають також римськими цифрами в дужках і вка­зують їх після символів елементів або їхніх назв, наприклад: Мn(II), Со(III), фосфор(V), марганець(VII). Ця форма позначен­ня використовується при складанні назв сполук або в тексті.

Заряди іонів у сполуках на відміну від ступеня окислення позначають арабськими цифрами із знаком плюс або мінус після цифри, наприклад: Са2+, Nа+, SО42–, Сl–.

Величину та знак ступеня окислення атомів у сполуках визна­чають, виходячи з таких положень:

1) у нейтральних молекулах та кристалах алгебраїчна сума сту­пенів окислення всіх атомів дорівнює нулю;

2) ступінь окислення Оксигену у сполуках дорівнює –2. Винятком є пероксидні сполуки, де Оксиген має ступінь окислення –1: Н2О2, Nа2О2; надпероксиди (–1/2): КО2; озоніди (–1/3): КО3; та фториди Оксигену (+2): ОF2; (+1): О2F2.

3) Гідроген в усіх сполуках з неметалами має ступінь окислення + 1. Проте в гідридах металів (NаН, СаН2) ступінь окислення Гідрогену дорівнює –1;

4) Фтор як найбільш електронегативний елемент в усіх сполуках має ступінь окислення –1;

5) ступінь окислення лужних металів в усіх сполуках дорівнює + 1, а лужно-земельних +2.

В загальному випадку величину та знак ступеня окислення ато­мів визначають, порівнюючи електронегативності елементів, які входять до складу сполуки. Найбільш електронегативний атом має негативний ступінь окислення, а атом в меншою електронегативністю – позитивний ступінь окислення. Оскільки величини електронегативностей атомів простих речовин однакові, то ступені

їх окислення в цьому випадку дорівнюють нулю (N2, Н2, Сl2, F2. Ступені окислення іонів в іонних сполуках дорівнюють величинам їх зарядів. Наприклад, іони Са2+, Ва2+ мають ступінь окислення +2, а для іонів Сl–, F– ступінь окислення дорівнює –1.

Розглянемо деякі особливості визначення ступеня окислення атомів у молекулах на прикладі сполук Нітрогену: NН3, NО2, НNО3, КNО3. В аміаку Нітроген як атом з більшою електронегативністю (c = 3,0) в порівнянні з атомом Гідрогену (c = 2,1) має негативний ступінь окислення –3. В оксиді нітрогену (IV) NО2 більш елек­тронегативним буде атом Оксигену (c = 3,5), тому атом Нітрогену в цьому випадку має позитивний ступінь окислення +4. В НNО3 і КNО3 ступінь окислення Нітрогену визначають, виходячи з положення, що ступені окислення атомів Гідрогену і Калію дорівнюють +1, а Оксигену –2. Враховуючи, що сума ступенів окислення всіх атомів у молеку­лі повинна дорівнювати нулю, дістаємо, що в НNО3, КNО3 ступені окислення Нітрогену дорівнюють відповідно +3 і +5.

В цілому ступінь окислення атомів у сполуках може бути позитивним (S+4О2, Н2S+6О4, Fе+2(ОН)2, КМn+7О4), негативним (Н2S–2, N–3Н3) або дорівнювати нулю (N02, [Nі0(СО)4], [Fе0(СО)5]). Максимальний позитивний ступінь окислення атомів відповідає номеру групи періодичної системи. Винятком є елементи підгрупи Купруму (Сu, Аg, Аu), де ступінь окислення +3 більший, ніж номер групи, а також метали восьмої групи (Fе, Со, Nі, Rh, Рd, Іr, Рt) та елементи О, F, Вr, у яких ступінь окислення завжди менший, ніж номер групи.

Поняття ступінь окислення не слід ототожнювати з валентністю атомів навіть у тих випадках, коли їхні абсолютні значення випад­ково співпадають. Валентність визначається числом зв'язків, якими даний атом сполучений з іншими, і тому не може мати знак плюс або мінус чи дорівнювати нулю. Наприклад, ступені окислення Карбону в метані СН4, метанолі СН3ОН, формальдегіді НСОН і ок­сиді Карбону (IV) СО2 відповідно дорівнюють –4, –2, 0 і +4, в той час як валентність Карбону у всіх цих сполуках дорівнює чотирьом. Треба зазначити, що ступінь окислення не має також ні­чого спільного з дійсним, або ефективним, зарядом атомів у сполу­ках. Наприклад, у Хром (III) хлориді СrСl3 ефективний заряд Хрому дорівнює +1,2; в той час як ступінь його окислення стано­вить +3. Ще більша різниця між цими величинами в Калій хроматі К2СrО4. При ступені окислення +6 ефективний заряд Хрому дорівнює лише +0,2.

Не дивлячись на те що ступінь окислення є поняття умовне і певною мірою формальне, воно набуло широкого використання при класифікації хімічних процесів, при розгляді окислюваільно-відновних властивостей речовин і при розрахунках коефіцієнтів в окислювально-відновних реакціях.