Ступінь окиснення

Сту́пінь оки́снення — умовний електростатичний заряд, який приписують атому в молекулі, припускаючи, що електронні пари, які утворюють зв'язок, повністю зміщені в бік більш електронегативних атомів (тобто вважаючи, що всі зв'язки даного атома мають 100% йонний характер). На відміну від валентності, яка позначає кількість утворюваних зв'язків і є натуральним числом, ступінь окиснення може мати позитивне, негативне, нульове або дробове значення.

Наприклад, у молекулі хлороводню HCl відбувається зміщення однієї електронної пари і ступінь окиснення для водню набуває значення +1, а для хлору -1. Що більше електронів переходять до іншого атома, то більшим стає ступінь окиснення. Загалом він може набувати значень від +8 (як для осмію в OsO₄) до -4 (кремній у Mg₂Si), однак кожен хімічний елемент має ряд характерних саме для нього значень ступеня окиснення. Атоми в найвищому ступені окислення можуть бути тільки окисниками, а в найнижчому — тільки відновниками.

Ступінь окиснення є суто формальною величиною, оскільки не описує характер взаємодії у зв'язку. Так, ступінь окиснення атома хлору в молекулах HCl та NaCl набуває в обох випадках значення -1, проте його ефективний заряд (справжній ступінь поляризації) є різним.

Визначення ступеня окиснення

Розподіл ступенів окиснення у хлораті кальцію:
Кисень має типове значення -2, для кальцію, як лужноземельного елемента, ступінь окиснення набуває значення +2, а для хлору, виходячи з правила нейтральності загального заряду, — +5

Визначення ступенів окиснення у молекулі базується на порівнянні значень електронегативності для атомів. Так, позитивні значення ступенів окиснення мають ті атоми, які віддали свої електрони іншим атомам (зв'язувальна електронна хмара зміщена від них), а негативні значення ступенів окиснення мають ті атоми, які приєднали електрони від інших атомів (зв'язувальна електронна хмара зміщена до них). Наприклад, у сполуці MgO хімічний елемент Магній має позитивний ступінь окиснення +2, а Оксиген — негативний ступінь окиснення −2.

Враховуючи те, що більшість елементів має характерні ступені окиснення (це пов'язано з будовою їхніх електронних оболонок), можна вивести наступні правила обчислення ступенів окиснення:

алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх атомів у молекулі має дорівнювати нулю, у багатоатомних йонах сума ступенів окиснення всіх атомів дорівнює заряду йона.
для одноатомних йонів ступінь окиснення дорівнює заряду йона.
ступінь окиснення елементів у простих речовинах дорівнює нулю (за винятком озону).
ступінь окиснення лужних металів дорівнює +1 (за винятком простих речовин і алкалідів);
ступінь окиснення гідрогену дорівнює +1 (в більшості сполук) або −1 (в гідридах), 0 в молекулі Н₂;
Флуор в усіх сполуках має ступінь окиснення −1 (за винятком F₂);
ступінь окиснення Оксигену в сполуках, як правило, дорівнює −2. Виняток становлять флуориди Оксигену (+2), сполуки діоксигеніл-іона О+2 (+1/2), кисень О₂ (0), пероксиди (−1), супероксиди (−1/2) та неорганічні озоніди (−1/3).

Просторова будова BeF₂

Часто ступінь окиснення не збігається із числом утворюваних зв'язків. Зокрема, для атома Берилію у молекулі BeF₂ ступінь окиснення є рівним +2, тоді як його молекула є полімерною. Також варто пам'ятати, що фактичний заряд на атомі може не відповідати ступеню окиснення цього атома. Так, у амоній-іоні атом Нітрогену має заряд +1, проте ступінь окиснення −3.

На письмі ступінь окиснення зазначається над символом елемента або вгорі праворуч від нього:

\mathrm {{\overset {+1}{K}}{\overset {+7}{Mn}}{\overset {-2}{O_{4}}}}

або

\mathrm {H_{2}^{+}O^{-2}}

Коли в тексті (не у формулі) необхідно позначити ступінь окиснення елемента, його записують одразу після символу або назви елемента без пробілів у круглих дужках. Наприклад: Оксиген(−2), О(−2), Ферум(+3), Fe(+3) чи залізо(0), Fe(0).

Винятки

Ступінь окиснення Сірки у складі піриту (персульфіду Заліза (ІІ)) FeS₂ дорівнює (−1) (група S2−2 є аналогом пероксидної групи O2−2)
У складі складних оксидів атоми одного і того ж елемента можуть мати різні ступені окиснення. Наприклад: у магнетиті (фераті (ІІІ) Заліза (ІІ)) Fe₃O₄ Залізо має ступені окиснення +2 і +3). При розв'язанні завдань, для яких має значення ступінь окиснення, формулу магнетиту слід записувати так: Fe⁺²(Fe⁺³O₂)₂ (представлення у вигляді солі) або FeO·Fe₂O₃ (представлення у вигляді складного оксиду). Іншими поширеними прикладами складних оксидів є сурик Pb₃O₄ (2PbO·PbO₂) та манганцева шпінель Mn₃O₄ (Mn⁺²(Mn⁺³O₂)₂ або MnO·Mn₂O₃).

Ступінь окиснення в органічних речовинах

Розподіл ступенів окиснення у 5-гідроксицитозині

Поняття ступеня окиснення в органічній хімії використовується набагато рідше ніж в неорганічній. В органіці здебільшого прийнято оцінювати міру «окисненості» та «відновленості» сполуки за кількістю атомів кисню та водню в ній, відповідно. Однак, є кілька випадків, коли формалізм ступеня окиснення корисний і в органічній хімії: це реакції з перетворенням неорганічних сполук на органічні (і навпаки) та електрохімічні реакції (в яких варто знати кількість електронів, що беруть участь у кожній стадії процесу). В такому разі (на відміну від неорганічних сполук) найчастіше вираховують не середній ступінь окиснення елементу в сполуці, а ступінь окиснення кожного атома. При цьому вважається, що атом водню завжди має ступінь окиснення +1, а кисню — −2 (крім випадків перекисних сполук, в яких розглядають групу О2−2),[1] а ступінь окиснення відповідного атома вуглецю (Карбону) вираховується, виходячи з принципу електронейтральності[2].

Таким чином, найменший ступінь окиснення має атом вуглецю в метані C⁻⁴H₄, а найвищий — у діоксиді вуглецю C⁺⁴O₂ (продукті повного окиснення будь-якої органічної сполуки).

Для вуглеводнів ступінь окиснення атому вуглецю залежить від його зв'язності. В порядку зростання це:

первинний атом вуглецю RC⁻³H₃
вторинний атом вуглецю RR'C⁻²H₂
третинний атом вуглецю RR'R"C⁻¹H
четвертинний атом вуглецю RR'R"R'"C⁰

Для кисневмісних сполук ступінь окиснення атому вуглецю залежить як від його зв'язності, так і від порядку зв'язку вуглець—кисень. В порядку зростання це:

первинні спирти RC⁻¹H₂OH
вторинні спирти RR'C⁰HOH
формальдегід HC⁰(O)H
третинні спирти RR'R"C⁺¹OH
альдегіди RC⁺¹(O)H
кетони RC⁺²(O)R'
мурашина (форміатна) кислота HC⁺²(O)OH
карбонові кислоти RC⁺³(O)OH та їх похідні (наприклад естери RC(O)OR' або ангідриди RC(O)OC(O)R')

Див. також

Рівень окиснення

Примітки

Правила обрахування ступенів окиснення інших гетероатомів набагато складніше і їх неможливо викласти в короткій статті. Варто тільки відмітити, що при цьому враховується, до якого класу сполук відноситься ця група.
Тобто зв'язок СС будь-якого порядку вважається повністю неполярним, і «початковий» ступінь окиснення атомів вуглецю в ньому рівний нулю.

Джерела

Глінка М. Л. Загальна хімія : підручник. — 2-ге вид., перероб. і доп. — Київ : Вища школа, 1982. — 608 с.
Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. — К., Ірпінь : ВТФ «Перун», 2004. — С. 100—102. — ISBN 966-569-106-6.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Правила обрахування ступенів окиснення інших гетероатомів набагато складніше і їх неможливо викласти в короткій статті. Варто тільки відмітити, що при цьому враховується, до якого класу сполук відноситься ця група.

[2] Тобто зв'язок СС будь-якого порядку вважається повністю неполярним, і «початковий» ступінь окиснення атомів вуглецю в ньому рівний нулю.