Главная → Химия → Курс теории → №3

№3. Степень окисления, валентность и электроотрицательность

Задание №3 проверяет умение работать со степенями окисления: чаще всего нужно найти разность между высшей и низшей степенью окисления элементов перечня. Ошибки здесь почти всегда арифметические или связаны с исключениями — кислородом, фтором и металлами.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный в предположении, что все связи ионные, то есть общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому. Величина формальная: целых зарядов в молекуле нет, но она очень удобна для расстановки коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях. Валентность — число химических связей, которыми атом соединён с другими атомами; её определяют по структурной формуле, а не по индексам. Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары: самый электроотрицательный элемент фтор, за ним идут кислород и азот.

ряд электроотрицательности: F > O > N > Cl > Br > I > S > C > H > P > Si · у металлов электроотрицательность низкая

В простом веществе (O2, Fe, Cl2, S8) степень окисления атомов равна 0.
Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна 0, а в сложном ионе — заряду этого иона: например, в SO4^2− сумма равна −2.
Металлы проявляют только положительные степени окисления, а у металлов главных подгрупп низшая степень окисления равна 0.
Водород в соединениях с неметаллами имеет +1 (H2O, HCl, H2SO4), а в гидридах металлов −1 (NaH, CaH2).
Кислород почти всегда −2; исключения — пероксиды, где он −1 (H2O2, Na2O2), и соединения с фтором, где он +2 (OF2).
Фтор всегда −1: положительных степеней окисления он не проявляет.
Постоянные степени окисления: Li, Na, K +1; Mg, Ca, Ba, Zn +2; Al +3; Ag +1.

H2SO4: 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0, откуда x = +6, то есть сера имеет степень окисления S(+6)

K2Cr2O7: 2·(+1) + 2x + 7·(−2) = 0, откуда 2x = +12 и x = +6, то есть хром имеет степень окисления Cr(+6)

Главные правила задания №3 — про высшую и низшую степень окисления. Высшая степень окисления элемента главной подгруппы равна номеру группы. Исключения: у кислорода высшая степень всего +2 и встречается только во фториде OF2, у фтора положительных степеней нет вообще, у благородных газов устойчивых соединений почти нет. Низшая степень окисления: у неметаллов она равна номеру группы минус 8 (для IV группы 4 − 8 = −4, для VII группы 7 − 8 = −1), а у металлов равна 0. Значит, разность «высшая минус низшая» у неметаллов IV–VII групп всегда равна 8, а у металлов равна номеру группы.

неметаллы IV–VII групп: высшая = номер группы, низшая = номер группы − 8, разность = 8 · металлы: высшая = номер группы, низшая = 0, разность = номер группы

Элемент	Высшая степень окисления	Низшая степень окисления	Разность
Na (I группа, металл)	+1	0	1
Mg (II группа, металл)	+2	0	2
Al (III группа, металл)	+3	0	3
Si (IV группа, неметалл)	+4	−4	8
N (V группа, неметалл)	+5	−3	8
S (VI группа, неметалл)	+6	−2	8
Cl (VII группа, неметалл)	+7	−1	8
H	+1	−1	2
O	+2	−2	4
Cr (VI группа, d-элемент)	+6	0	6

Теперь о валентности, её часто путают со степенью окисления. Валентность определяют по структурной формуле: это число связей. В H2S валентность серы II, в SO2 — IV, в H2SO4 — VI. Чтобы найти валентность элемента по формуле бинарного соединения, используют равенство произведений: валентность одного элемента, умноженная на число его атомов, равна такому же произведению для другого элемента. В Al2O3 валентность кислорода всегда II, значит 2 · x = 3 · II, откуда валентность алюминия III. Обрати внимание: индекс в формуле — это число атомов, а не валентность.

Al2O3: 2 · валентность(Al) = 3 · валентность(O) = 3 · II, поэтому валентность алюминия равна III

Шаг 1. Определи по таблице Менделеева номер группы каждого элемента перечня — для главных подгрупп это и есть высшая степень окисления.
Шаг 2. Определи, металл это или неметалл: у неметаллов низшая степень окисления равна номеру группы минус 8, у металлов она равна 0.
Шаг 3. Отдельно проверь исключения: фтор (−1 всегда), кислород (+2 только во фторидах, −1 в пероксидах), водород (+1 и −1).
Шаг 4. Посчитай разность «высшая минус низшая» для каждого элемента: у неметаллов IV–VII групп получится 8.
Шаг 5. Отбери элементы с нужным значением и запиши их номера в том порядке, в котором они стоят в перечне.
Шаг 6. Если задание про коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции, составь электронный баланс: число отданных электронов должно равняться числу принятых.

Типичные ошибки. 1) Считают разность как «низшая минус высшая» и получают отрицательное число, хотя порядок обратный: из высшей вычитают низшую. 2) Металлам приписывают отрицательную низшую степень окисления по аналогии с неметаллами той же группы: у металлов низшая степень окисления равна 0. 3) Забывают исключения: у кислорода высшая степень +2 и только во фторидах, у фтора положительных степеней нет, у водорода −1 бывает лишь в гидридах металлов. 4) Путают валентность и степень окисления: в N2 валентность азота III, а степень окисления 0. 5) Определяют валентность по индексу в формуле: в Al2O3 индекс кислорода 3, но валентность кислорода всегда II. 6) Теряют знак в уравнении электронного баланса и забывают, что сумма степеней окисления в сложном ионе равна заряду иона.

Проверь себя

Чему равна сумма степеней окисления в ионе Cr2O7^2− и как из этого уравнения найти степень окисления хрома?
Почему у кислорода высшая степень окисления равна +2, а не +6, хотя он стоит в VI группе?
В чём разница между валентностью и степенью окисления? Приведи пример, где их значения не совпадают.
Как найти валентность алюминия в Al2O3, если валентность кислорода равна II?
Почему у марганца разность высшей и низшей степени окисления равна 7, а у хлора — 8?

Показательные решения

Разбор из банка: где разность высшей и низшей степени окисления равна восьми

Для выполнения заданий 1−3 используйте следующий ряд химических элементов: 1. P; 2. Al; 3. Cl; 4. Zn; 5. H. Ответом в заданиях 1−3 является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду. Из указанных в ряду элементов выберите два элемента, у каждого из которых разность между значениями их высшей и низшей степеней окисления равна 2. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение по шагам

Нужно найти элементы, у которых разность между высшей и низшей степенью окисления максимальна; разность считаем строго как «высшая минус низшая».
Для первого элемента перечня высшая степень окисления +5, низшая −3, значит разность 5 − (−3) = 8 — элемент подходит.
Для второго элемента высшая степень +3, а низшая равна 0, потому что это металл; разность 3 — не подходит.
Для третьего элемента высшая степень +7, низшая −1, разность снова 8 — подходит.
Для четвёртого элемента высшая степень +2, низшая 0, разность 2; для пятого высшая +1, низшая −1, разность 2 — оба не подходят.
Проверка: разность 8 возможна только у неметаллов IV–VII групп, и таких элементов среди пяти ровно два, что согласуется с форматом ответа.
Ответ: 45.

Ответ: 45

Официальное решение из банка ФИПИ

1. Высшая степень окисления равна +5, низшая степень окисления равна −3, разность равна 8. 2. Высшая степень окисления равна +3, низшая степень окисления равна 0, разность равна 3. 3. Высшая степень окисления равна +7, низшая степень окисления равна −1, разность равна 8. 4. Высшая степень окисления равна +2, низшая степень окисления равна 0, разность равна 2. 5. Высшая степень окисления равна +1, низшая степень окисления равна −1, разность равна 2. Ответ: 45.

Разбор из банка: низшая степень окисления равна −4

Для выполнения заданий 1–3 используйте следующий ряд химических элементов. 1. Na. 2. K. 3. Si. 4. Mg. 5. C. Ответом в заданиях 1–3 является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду. Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые проявляют низшую степень окисления, равную –4. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Решение по шагам

Требуется найти два элемента, низшая степень окисления которых равна −4.
У неметаллов низшая степень окисления равна номеру группы минус 8, поэтому составляем уравнение: −4 = номер группы − 8, откуда номер группы равен 4.
Ищем в перечне элементы IV группы главной подгруппы: это кремний и углерод.
Проверяем на конкретных соединениях: у углерода в CH4 степень окисления −4, у кремния в SiH4 тоже −4, а высшая степень у обоих +4.
Остальные элементы перечня — металлы, а у металлов низшая степень окисления равна 0, поэтому условию они не отвечают.
Ответ: 35 — кремний и углерод.

Ответ: 35

Официальное решение из банка ФИПИ

Низшую степень окисления, равную –4, проявляют элементы IV группы: кремний и углерод. Ответ: 35.

Разбор из банка: две ловушки — кислород и металл

Для выполнения заданий 1−3 используйте следующий ряд химических элементов: 1. Cs; 2. C; 3. O; 4. Cr; 5. N. Ответом в заданиях 1−3 является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду. Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые имеют одинаковую разность между значениями их высшей и низшей степеней окисления. Запишите номера выбранных ответов.

Решение по шагам

Ищем элементы с наибольшей разностью высшей и низшей степени окисления; в перечне цезий, углерод, кислород, хром и азот.
Цезий — щелочной металл I группы: высшая степень +1, низшая 0, разность 1 — не подходит.
Углерод — неметалл IV группы: высшая степень +4, низшая −4, разность 8 — подходит.
Кислород стоит в VI группе, но его высшая степень +2 проявляется только во фторидах, поэтому разность равна 4, а не 8.
Хром — d-металл VI группы: высшая степень +6, а низшая равна 0, потому что это металл, значит разность 6.
Азот — неметалл V группы: высшая степень +5, низшая −3, разность 8 — второй подходящий элемент.
Ответ: 25 — углерод и азот.

Ответ: 25

Официальное решение из банка ФИПИ

Рассмотрим высшие и низшие степени окисления для всех элементов: 1. Cs — низшая степень окисления равна 0, высшая +1, разница степеней окисления 1. 2. C — низшая степень окисления −4, высшая +4, разница степеней окисления 8. 3. O — низшая степень окисления −2, высшая +2, разница степеней окисления 4. 4. Cr — низшая степень окисления 0, высшая +6, разница степеней окисления 6. 5. N — низшая степень окисления −3, высшая +5, разница степеней окисления 8. Ответ: 25.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по химии · Решать задания №3