Видеоурок 2: Степень окисления химических элементов

Видеоурок 3: Валентность. Определение валентности

Лекция: Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов

Электроотрицательность

Электроотрицательность – это способность атомов притягивать к себе электроны других атомов для соединения с ними.

Судить об электроотрицательности того или иного химического элемента легко по таблице. Вспомните, на одном из наших уроков было сказано о том, что она возрастает при движении слева направо по периодам в таблице Менделеева и с перемещением снизу вверх по группам.

К примеру, дано задание определить какой элемент из предложенного ряда наиболее электроотрицателен: C (углерод), N (азот), O (кислород), S (сера)? Смотрим по таблице и находим, что это О, потому что он правее и выше остальных.

Какие же факторы оказывают влияние на электроотрицательность? Это:

• Радиус атома, чем он меньше, тем электроотрицательность выше.
• Заполненность валентной оболочки электронами, чем их больше, тем выше электроотрицательность.

Из всех химических элементов фтор является наиболее электроотрицательным, потому как у него малый атомный радиус и на валентной оболочке 7 электронов.

Значения электроотрицательности атома не могут быть постоянными, т.к. она зависит от многих факторов в числе которых перечисленные выше, а также степень окисления, которая может быть различной у одного и того же элемента. Поэтому принято говорить об относительности значений электроотрицательности. Вы можете пользоваться следующими шкалами:

Значения электроотрицательности вам понадобятся при записи формул бинарных соединений, состоящих из двух элементов. К примеру, формула оксида меди Cu 2 O - первым элементом следует записывать тот, чья электроотрицательность ниже.

Степень окисления

Степень окисления (СО) – это условный или реальный заряд атома в соединении: условный – если связь ковалентная полярная, реальный – если связь ионная.

Атом приобретает положительный заряд при отдаче электронов, а отрицательный заряд – при принятии электронов.

Степени окисления записываются над символами со знаком «+»/«-» . Есть и промежуточные СО. Максимальная СО элемента положительная и равна № группы, а минимальная отрицательная для металлов равна нулю, для неметаллов = (№ группы – 8) . Элементы с максимальной СО только принимают электроны, а с минимальной, только отдают. Элементы же, имеющие промежуточные СО могут и отдавать и принимать электроны.

Рассмотрим некоторые правила, которыми стоит руководствоваться для определения СО:

СО всех простых веществ равна нулю.

Равна нулю и сумма всех СО атомов в молекуле, так как любая молекула электронейтральна.

В соединениях с ковалентной неполярной связью СО равна нулю (О 2 0), а с ионной связью равна зарядам ионов (Na + Cl - СО натрия +1, хлора -1). СО элементов соединений с ковалентной полярной связью рассматриваются как с ионной связью (H:Cl = H + Cl - , значит H +1 Cl -1).

Элементы в соединении, имеющие наибольшую электроотрицательность, имеют отрицательные степени окисления, если наименьшую положительные. Исходя из этого можно сделать вывод, что металлы имеют только «+» степень окисления.

Постоянные степени окисления :

Щелочные металлы +1.

Все металлы второй группы +2. Исключение: Hg +1, +2.

Алюминий +3.

• Водород +1. Исключение: гидриды активных металлов NaH, CaH 2 и др., где степень окисления водорода равна –1.

  Кислород –2. Исключение: F 2 -1 O +2 и пероксиды, которые содержат группу –О–О–, в которой степень окисления кислорода равна –1.

Когда образуется ионная связь, происходит определенный переход электрона, от менее электроотрицательного атома к атому большей электроотрицательности. Так же, в данном процессе, атомы всегда теряют электронейтральность и впоследствии превращаются в ионы. Так же образуются целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи, электрон переходит только частично, поэтому возникают частичные заряды.

Валентность – это способность атомов образовать n - число химических связей с атомами других элементов.

А еще валентность – это способность атома удержать другие атомы возле себя. Как вам известно из школьного курса химии, разные атомы связываются друг с другом электронами внешнего энергетического уровня. Неспаренный электрон ищет для себя пару у другого атома. Эти электроны внешнего уровня называются валентными. Значит валентность можно определить и как число электронных пар, связывающих атомы друг с другом. Посмотрите структурную формулу воды: Н – О – Н. Каждая черточка – это электронная пара, значит показывает валентность, т.е. кислород здесь имеет две черточки, значит он двухвалентен, от молекул водорода исходят по одной черточке, значит водород одновалентен. При записи валентность обозначается римскими цифрами: О (II), Н (I). Может указываться и над элементом.

Валентность бывает постоянной либо переменной. К примеру, у щелочей металлов она постоянна и равняется I. А вот хлор в различных соединениях проявляет валентности I, III, V, VII.

Как определить валентность элемента?

Вновь обратимся к Периодической таблице. Постоянная валентность у металлов главных подгрупп, так металлы первой группы имеют валентность I, второй II. А у металлов побочных подгрупп валентность переменная. Также она переменная и у неметаллов. Высшая валентность атома равна № группы, низшая равна = № группы - 8. Знакомая формулировка. Не означает ли это то, что валентность совпадает со степенью окисления. Помните, валентность может совпадать со степенью окисления, но данные показатели не тождественны друг другу. Валентность не может иметь знака =/-, а также не может быть нулевой.

Второй способ определения валентности по химической формуле, если известна постоянная валентность одного из элементов. Например, возьмем формулу оксида меди: CuО. Валентность кислорода II. Видим, что на один атом кислорода в данной формуле приходится один атом меди, значит и валентность меди равна II. А теперь возьмем формулу посложнее: Fe 2 O 3 . Валентность атома кислорода равна II. Таких атомов здесь три, умножаем 2*3 =6. Получили, что на два атома железа приходится 6 валентностей. Узнаем валентность одного атома железа: 6:2=3. Значит валентность железа равна III.

Кроме того, когда необходимо оценить "максимальную валентность", всегда следует исходить из электронной конфигурации, которая имеется в «возбужденном» состоянии.

Прежде чем изучать степени окисления, вспомним основные правила из курса химии и физики:

• все вещества образуются из молекул, а молекулы - из атомов;
• любой атом электронейтрален, т.е. имеет суммарный заряд, равный нулю;
• нулевой заряд атома обуславливается одинаковым числом положительно и отрицательно заряженных в нем частиц;
• отрицательно заряженные частицы внутри атома - «электроны» - перемещаются вокруг ядра атома (заряд одного электрона равен «–1»);
• суммарный отрицательный заряд всех электронов атома равен их количеству;
• положительные частицы атома носят название «протоны» и расположены внутри его ядра, причем заряд одного протона равен «+1»;
• суммарный положительный заряд ядра равен общему количеству , находящихся в нем;
• точное число протонов и электронов в атоме любого химического элемента можно узнать, посмотрев его номер в периодической системе:

№ элемента = число протонов в атоме = число электронов в атоме.

Рассмотрим все вышеизложенное на примерах кислорода (О), водорода (Н), кальция (Са) и алюминия (Аl).

В периодической системе имеет порядковый номер «8», а значит, в его ядре есть восемь протонов, а вокруг ядра движутся восемь электронов.

Таким образом, заряд ядра его атома равен «+8», а суммарный заряд электронов, движущихся вокруг его ядра, составляет «-8». Общий же заряд атома для химического элемента определяется сложением всех положительных и отрицательных зарядов внутри его атома:

Занимает первое место в периодической системе, а следовательно, в его ядре один протон, а вокруг ядра движется один электрон:

Находится на двадцатом месте периодической системы. Значит, в его атоме имеется по двадцать протонов и электронов, суммарные заряды которых - «+20» и «-20» соответственно:

Что касается , то его расположение в периодической системе (порядковый номер - 13) говорит о тринадцати протонах и тринадцати электронах:

Немного о степени окисления

Как известно, в земной коре химические элементы находятся не только в свободном состоянии. Их атомы также вступают в химические взаимодействия с образованием сложных веществ. Это легко проиллюстрировать на примере образования оксидов.

Так, кислород (О) может взаимодействовать с водородом (Н). При этом водород отдает кислороду в полное распоряжение свой единственный электрон. После этого в атоме водорода больше не остается свободных электронов, а, следовательно, положительный заряд ядра атома (равен «+1») нейтрализовать становится нечем, и весь атом водорода приобретает заряд «+1». Таким образом, электронейтральный атом водорода превращается в положительно заряженную частицу - протон:

(+1) + (-1) - (-1)= (+1).

Атом же кислорода, который в свободном состоянии тоже имеет нулевой заряд, может одновременно присоединить к себе два электрона. Это значит, что он вступает в реакцию одновременно с двумя атомами водорода, каждый из которых отдает ему свой единственный электрон.

Таким образом, кислород, имевший до реакции с водородом по восемь протонов и электронов, в ходе этого химического взаимодействия приобретает еще два электрона. А значит, суммарный его заряд становится равен:

(+8)+(-8)+(-2)=(-2).

Данный пример иллюстрирует реакцию, в результате которой атом одного химического элемента отдал свои электроны атому другого химического элемента. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.

Считается, что атом, отдавший электроны, окислился , а атом, который их присоединил, - восстановился . В данном случае окислился водород, а восстановился кислород. Заряд, который получили в результате реакции оба атома, записывается в правом верхнем углу над символами их химических элементов.

Следует также учитывать, что кислород и водород являются газами, а значит, в их молекулах имеется по два одинаковых атома. Следовательно, полная реакция взаимодействия кислорода с водородом выглядит так:

2Н₂⁰ + О₂⁰ → 2Н₂⁺¹О⁻²

В данном случае речь идет об образовании соединений типа X₂O, в которых для получения молекулы сложного вещества к одному атому кислорода присоединяются два одинаковых атома другого элемента. Степень окисления «+1» характерна для элементов первой группы периодической системы, относящихся к главной подгруппе.

Степень окисления в XO

Во второй группе периодической системы (а именно в главной ее подгруппе) расположены химические элементы, каждый атом которых может отдать кислороду уже по два электрона. Такой атом в ходе окислительно-восстановительной реакции приобретет заряд «+2», а кислород, как всегда, получит заряд «–2». Например, реакция окисления кальция:

2Са⁰ + О₂⁰→2Са⁺²О⁻².

Цинк (Zn), расположенный в побочной подгруппе второй группы, проявляет такую же степень окисления, как у кальция, а именно ХО:

2Zn⁰ + О₂⁰→2Zn⁺²О⁻²

Степень окисления в X₂O₃

Особенностью элементов главной подгруппы третьей группы периодической системы является то, что каждый их атом с легкостью может отдать атому кислорода уже три электрона. Однако один атом кислорода может принять только два электрона.

Следовательно, вот как будет выглядеть соотношение атомов в молекуле оксидов для элементов третьей группы на примере оксида алюминия:

• если один атом алюминия может отдать три электрона, то два атома алюминия отдадут уже шесть электронов (каждый по три);
• один атом кислорода может принять только два электрона, но, поскольку два атома алюминия отдают шесть электронов, то принять их полностью смогут уже три атома кислорода;
• следует помнить, что молекула кислорода двухатомна, а значит, каждый из атомов кислорода примет по два электрона от атомов алюминия:

4Al⁰ + 3O₂⁰ → 2Al₂⁺³O₃⁻²

Таким образом, в данной химической реакции примут участие четыре атома алюминия, которые отдадут двенадцать электронов шести атомам (или трем молекулам) кислорода. В результате реакции каждому атому алюминия будет не хватать до нулевого заряда по три электрона, а значит, положительный заряд ядра станет преобладать над отрицательным зарядом электронов:

13 (заряд ядра атома Al не изменился) -10 (оставшихся после реакции электронов)= (+3).

Степень окисления в XO₂

Данную степень окисления проявляют химические элементы, расположенные в главной подгруппе четвертой группы периодической системы. Каждый их атом может отдать одновременно четыре электрона, а поскольку молекула кислорода двухатомна, то каждый из атомов кислорода примет как раз по два электрона.

Рассмотрим подобную окислительно-восстановительную реакцию на примере взаимодействия кислорода с углеродом:

С⁰ + О₂⁰ → С⁺⁴О₂⁻²

Эта реакция иллюстрирует горение твердого вещества (угля) в присутствии газа (кислорода). Поэтому молекула кислорода двухатомна, а молекула углерода - одноатомна. Нажмите , чтобы узнать, как протекает окисление различных металлов.

Степени окисления в X₂O₅ и XO₃

Для некоторых элементов главной подгруппы пятой группы характерно проявление степени окисления (+5), то есть они могут отдать атому кислорода сразу пять электронов. Например, реакция горения фосфора в присутствии кислорода:

4Р⁰ + 5О₂⁰ → 2Р₂⁺⁵О₅⁻².

Некоторые элементы шестой группы могут отдавать сразу шесть электронов, после чего их степень окисления станет равной (+6). Например, реакция взаимодействия серы с кислородом:

2S⁰ + 3O₂⁰ → 2S⁺⁶O₃⁻²

Для характеристики окислительно-восстановительной способности частиц важное значение имеет такое понятие, как степень окисления. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – это заряд, который мог бы возникнуть у атома в молекуле или ионе, если бы все его связи с другими атомами оказались разорваны, а общие электронные пары ушли с более электроотрицательными элементами.

В отличие от реально существующих зарядов у ионов, степень окисления показывает лишь условный заряд атома в молекуле. Она может быть отрицательной, положительной и нулевой. Например, степень окисления атомов в простых веществах равна «0» (,
,,). В химических соединениях атомы могут иметь постоянную степень окисления или переменную. У металлов главных подгруппI, II и III групп Периодической системы в химических соединениях степень окисления, как правило, постоянна и равна соответственно Ме +1 , Ме +2 и Ме +3 (Li + , Ca +2 , Al +3). У атома фтора всегда -1. У хлора в соединениях с металлами всегда -1. В подавляющем числе соединений кислород имеет степень окисления -2 (кроме пероксидов, где его степень окисления -1), а водород +1(кроме гидридов металлов, где его степень окисления -1).

Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю, а в ионе – заряду иона. Эта взаимосвязь позволяет рассчитывать степени окисления атомов в сложных соединениях.

В молекуле серной кислоты H 2 SO 4 атом водорода имеет степень окисления +1, а атом кислорода -2. Так как атомов водорода два, а атомов кислорода четыре, то мы имеем два «+» и восемь «-». До нейтральности не хватает шесть «+». Именно это число и является степенью окисления серы -
. Молекула дихромата калияK 2 Cr 2 O 7 состоит из двух атомов калия, двух атомов хрома и семи атомов кислорода. У калия степень окисления всегда +1, у кислорода -2. Значит, мы имеем два «+» и четырнадцать «-». Оставшиеся двенадцать «+» приходятся на два атома хрома, у каждого из которых степень окисления равна +6 (
).

Типичные окислители и восстановители

Из определения процессов восстановления и окисления следует, что, в принципе, в роли окислителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в низшей степени окисления и поэтому могут понижать свою степень окисления. Аналогично в роли восстановителей могут выступать простые и сложные вещества, содержащие атомы, которые находятся не в высшей степени окисления и поэтому могут повышать свою степень окисления.

К наиболее сильным окислителям относятся:

1) простые вещества, образуемые атомами, имеющими большую электроотрицательность, т.е. типичные неметаллы, расположенные в главных подгруппах шестой и седьмой групп периодической системы: F, O, Cl, S (соответственно F 2 , O 2 , Cl 2 , S);

2) вещества, содержащие элементы в высших и промежуточных

положительных степенях окисления, в том числе в виде ионов, как простых, элементарных (Fe 3+), так и кислородосодержащих, оксоанионов (перманганат-ион - MnO 4 -);

3) перекисные соединения.

Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве окислителей, являются кислород и озон, хлор, бром, перманганаты, дихроматы, кислородные кислоты хлора и их соли (например,
,
,
), азотная кислота (
), концентрированная серная кислота (
), диоксид марганца (
), пероксид водорода и пероксиды металлов (
,
).

К наиболее сильным восстановителям относятся:

1)простые вещества, атомы которых имеют низкую электроотрицательность («активные металлы»);

2) катионы металлов в низжих степенях окисления (Fe 2+);

3) простые элементарные анионы, например, сульфид-ион S 2- ;

4) кислородосодержащие анионы (оксоанионы), соответствующие низшим положительным степеням окисления элемента (нитрит
, сульфит
).

Конкретными веществами, применяемыми на практике в качестве восстановителей, являются, например, щелочные и щелочноземельные металлы, сульфиды, сульфиты, галогенводороды (кроме HF), органические вещества – спирты, альдегиды, формальдегид, глюкоза, щавелевая кислота, а также водород, углерод, моноксид углерода (
) и алюминий при высоких температурах.

В принципе, если в состав вещества входит элемент в промежуточной степени окисления, то эти вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Все зависит от

«партнера» по реакции: с достаточно сильным окислителем оно может реагировать как восстановитель, а с достаточно сильным восстановителем – как окислитель. Так, например, нитрит-ион NO 2 - в кислой среде выступает в роли окислителя по отношению к иону I - :

2
+ 2+ 4HCl→ + 2
+ 4KCl + 2H 2 O

и в роли восстановителя по отношению к перманганат-иону MnO 4 -

5
+ 2
+ 3H 2 SO 4 → 2
+ 5
+K 2 SO 4 + 3H 2 O

Электроотрицательность (ЭО) — это способность атомов притягивать электроны при связывании с другими атомами.

Электроотрицательность зависит от расстояния между ядром и валентными электронами, и от того, насколько валентная оболочка близка к завершенной. Чем меньше радиус атома и чем больше валентных электронов, тем выше его ЭО.

Фтор является самым электроотрицательным элементом. Во-первых, он имеет на валентной оболочке 7 электронов (до октета недостает всего 1-го электрона) и, во-вторых, эта валентная оболочка (…2s 2 2p 5) расположена близко к ядру.

Менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Они имеют большие радиусы и их внешние электронные оболочки далеки от завершения. Им гораздо проще отдать свои валентные электроны другому атому (тогда предвнешняя оболочка станет завершенной), чем «добирать» электроны.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют шкалу электроотрицательностей, предложенную американским химиком Л. Полингом.

Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX ) позволит судить о типе химической связи. Если величина Δ X = 0 – связь ковалентная неполярная .

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной , например: связь H-F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 — 2,20) = 1,78

Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными . Например: связь Na-Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 — 0,93) = 2,23.

Степень окисления

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

При образовании ионной связи происходит переход электрона от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному, атомы теряет свою электронейтральность, превращается в ионы. возникают целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи электрон переходит не полностью, а частично, поэтому возникают частичные заряды (на рисунке ниже HCl). Представим, что электрон перешел полностью от атома водорода к хлору, и на водороде возник целый положительный заряд +1, а на хлоре -1. такие условные заряды и называют степенью окисления.

На этом рисунке изображены степени окисления, характерные для первых 20 элементов.
Обратите внимание. Высшая СО как правило равна номеру группы в таблице Менделеева. У металлов главных подгрупп – одна характерная СО, у неметаллов, как правило, наблюдается разброс СО. Поэтому неметаллы образуют большое количество соединений и обладают более «разнообразными» свойствами, по сравнению с металлами.

Примеры определения степени окисления

Определим степени окисления хлора в соединениях:

Те правила, которые мы рассмотрели не всегда позволяют рассчитать СО всех элементов, как например в данной молекуле аминопропана.

Здесь удобно пользоваться следующим приемом:

1)Изображаем структурную формулу молекулы, черточка – это связь, пара электронов.

2) Черточку превращаем в стрелку, направленную к более ЭО атому. Эта стрелка символизирует переход электрона к атому. Если связаны два одинаковых атома, оставляем черту как есть – нет перехода электронов.

3) Считаем сколько электронов «пришло» и «ушло».

Например, посчитаем заряд первого атома углерода. Три стрелки направленны к атому, значит, 3 электрона пришло, заряд -3.

Второй атом углерода: водород отдал ему электрон, а азот забрал один электрон. Заряд не поменялся, равен нулю. И т.д.

Валентность

Вале́нтность (от лат. valēns «имеющий силу») - способность атомов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

В основном, под валентностью понимается способность атомов к образованию определённого числа ковалентных связей . Если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами, т.е. его валентность будет равна n + m . При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации «возбуждённого» состояния. Например, максимальная валентность атома бериллия, бора и азота равна 4 (например, в Be(OH) 4 2- , BF 4 — и NH 4 +), фосфора - 5 (PCl 5), серы - 6 (H 2 SO 4), хлора - 7 (Cl 2 O 7).

В ряде случаев, валентность может численно совпадать со степенью окисления, но ни коим образом они не тождественны друг другу. Например, в молекулах N 2 и CO реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления азота равна 0, углерода +2, кислорода −2.

Таблица. Степени окисления химических элементов.

Таблица. Степени окисления химических элементов.

Оценка статьи: