ОКИСЛИТЕЛЬНО- ВОСТАНОВИТЕЛЬНЫЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Окислительно-восстановительные реакции

Степень окисления

Общее представление о степени окисления было дано в разд. 2.9. Рассмотрим это понятие подробнее.

При образовании большинства молекул происходит перераспределение электронной плотности за счет смещения облака пары электронов, образующих связь, к более электроотрицательному атому, вследствие чего данный атом приобретает некоторый отрицательный заряд. Однако в ряде случаев важным является не абсолютная величина этого заряда, а количество «смещенных» электронов. Для этого используется сугубо формальное понятие — степень окисления. Это электрический заряд (в единицах заряда электрона), который получил бы данный атом, если бы каждая общая пара электронов, связывающая его с другими атомами, полностью переместилась бы к более электроотрицательному атому. Иными словами, это условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что молекула состоит только из ионов.

Положительная степень окисления равна количеству электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная — количеству электронов, которые смещаются к данному атому. Неполярная ковалентная связь между одинаковыми атомами предполагает отсутствие таких смещений, поэтому для простых веществ степень окисления равна нулю. Примерами таких соединений служат молеку-

0 0 0

лы, состоящие из одинаковых атомов (N2, F2, Ог). Металлы тоже

0 0 0

имеют нулевую степень окисления (Си, Fe, Аи), так как распределение электронной плотности в них равномерно.

Понятие степени окисления для большинства соединений имеет условный характер, так как не отражает эффективный заряд атома. Так, эффективные заряды атомов водорода и хлора в молекуле НС1 соответственно равны +0,17 и —0,17, а степени окисления +1 и — 1; в кристаллах сульфида цинка ZnS эффективные заряды атомов цинка и серы равны +0,86 и —0,86, а степени окисления +2 и —2.

Следует различать обозначения степени окисления и заряда иона. Заряд иона обозначается сначала цифрой (единица опускается), а затем знаком, помещенными сверху справа от символа последнего атома элемента, входящего в ион, например, SO2-; S2-; V02; СЮ 4. Степень окисления в молекуле или сложном ионе указывается над символом атома сначала знаком, а затем цифрой (единица простав-

+6 2- -2 +5-2 +5-2 +7 +1 -1

ляется), например, SO4 ; Н2 S; V02N03; СЮ4; Ag Cl. Для условно выделенного из молекулы атома она обозначается знаком и цифрой сверху справа от символа атома: S+6; S-2; V+:>; С1+7; СГ1.

Атомы некоторых элементов в соединениях проявляют постоянные степени окисления. Например, степень окисления фтора в со-

+2 -1 -1

единениях всегда —1, кислорода —2 (кроме OF2; Н2Ог; Na202 и

т.п.), степень окисления водорода в большинстве соединений +1,

+1-1 +2-1

кроме соединений с металлами — гидридов (КН; СаНг и т.п.). У металлов IA-подгруппы во всех соединениях степень окисления +1, а у металлов НА-подгруппы +2. Постоянные степени окисления проявляют также Zn+2 и А1+3.

При определении степени окисления атома элемента используют правило, согласно которому сумма степеней окисления всех атомов элементов в молекуле равна нулю, а в сложном ионезаряду этого иона. В качестве примера рассчитаем степени окисления: а) хрома в дихромате калия; б) фосфора в гидрофосфат-ионе; в) железа и серы в сульфате железа Fe2(S04)3. Обозначим степени окисления атомов:

+1 *| -2 +1 х2 -22- -*з у -2

  • а) КгСг207;б) НРО2 ; в) Fe2(S04)3. Составим уравнения баланса заряда и решим их:
  • а) 2 • 1 + 2 • + 7 • (—2) = 0; х^ = +6;
  • б) 1 + х2 + 4 ? (-2) = -2; х2= +5;
  • в) в молекуле Fe2(S04)3 содержатся атомы двух элементов с пере-
  • у

менными степенями окисления: Fe и S . Общий заряд иона (S04)2-

известен, поэтому в Fe2(S04)3 : 2х3 + 3 • (-2) = 0; х3 = +3;

в (S(5y~:y + 4-(—2) = —2;у = +6.

Максимальная (положительная) степень окисления определяется максимальным количеством электронов, которые атом может отдать. Обычно она равна количеству валентных электронов и совпадает с номером группы в восьмигрупповой Периодической системе, например, S+6 (VIA-группа), Сг+6 (VIB-rpynna).

К исключениям относятся фтор (F° — VIIА группа); кислород (0+2 — VIA-rpynna), железо, кобальт, никель, родий, палладий, иридий, платина (УШБ-группа), максимальная степень окисления которых ниже, чем номер их группы, а также элементы подгруппы меди (1Б-подгруппа): Си+2, Аи+3.

Минимальная степень окисления металлов равна нулю

  • 0 0 0
  • (Cr, Fe, А1). Минимальная (отрицательная) степень окисления у неметаллов обычно совпадает по величине со значением, равным разнице между номером группы восьмигрупповой Периодической системы, в которой находится элемент, и восемью, т.е. она равна количеству электронов, которое нейтральный атом может принять до образования устойчивой восьмиэлектронной структуры внешнего квантового уровня ns2npb. Например, минимальная степень окисления серы (VIA-группа) равна: 6 - 8 = -2 (S-2). При использовании таблицы на 18 групп минимальная степень окисления неметаллов рассчитывается как номер группы минус 18. Например, для кислорода (16-я группа) степень окисления: 16 - 18 = -2 (О-2).

Следует различать два понятия: валентность и степень окисления. Валентность атома данного элемента в молекуле определяется количеством его ковалентных связей (см. разд. 3.3), она не зависит от соотношения электроотрицательностей атомов, образующих связи, и не характеризуется знаком. Различие между этими понятиями наглядно можно показать на ряде соединений углерода. Валентность углерода в каждом из них равна четырем:

а степень окисления его в каждом соединении разная:

Таким образом, степень окисления — это условное, формальное понятие, чаще всего оно не характеризует ни реальный заряд, ни реальное валентное состояние атома в молекуле. Однако им очень удобно пользоваться при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >