11.1: Числа окислення

Результати навчання

• Призначте номери окислення вільним елементам або елементам у з'єднанні або іоні.

Числа окислення

Число окислення - це додатне або негативне число, яке присвоюється атому для позначення його ступеня окислення або відновлення. Термін ступінь окислення часто використовується взаємозамінно з числом окислення. Частковий перенесення електронів - це зсув щільності електронів поблизу атома в результаті зміни інших атомів, з якими він ковалентно пов'язаний. Цей зсув заряду заснований на відносній електронегативності атомів, що беруть участь у зв'язку.

Загалом, число окислення атома в молекулі - це заряд, який мав би атом, якби всі полярні ковалентні та іонні зв'язки призвели до повного перенесення електронів від менш електронегативного атома до більш електронегативного. Окислювальні номери можуть бути присвоєні за допомогою набору правил, викладених нижче.

1. Число окислення атома в нейтральному вільному елементі дорівнює нулю. Вільним елементом вважається будь-який елемент в некомбінованому стані, будь то одноатомний або багатоатомний. Наприклад, число окислення кожного атома в$\ce{Fe}$,$\ce{Li}$,$\ce{N_2}$$\ce{Ar}$, і$\ce{P_4}$ дорівнює нулю.
2. Число окислення одноатомного (складається з одного атома) іона таке ж, як і заряд іона. Наприклад, числа окислення$\ce{K^+}$$\ce{Se^{2-}}$, і$\ce{Au^{3+}}$ є$+1$$-2$, і$+3$, відповідно.
3. Число окислення кисню в більшості сполук є$-2$.
4. Число окислення водню в більшості сполук є$+1$.
5. Число окислення фтору у всіх сполуках є$-1$. Інші галогени зазвичай мають число окислення$-1$ в бінарних сполуках, але можуть мати змінні числа окислення залежно від середовища зв'язку.
6. У нейтральній молекулі сума чисел окислення всіх атомів дорівнює нулю. Наприклад, в$\ce{H_2O}$, окислювальні числа$\ce{H}$ і$\ce{O}$ є$+1$ і$-2$, відповідно. Оскільки у формулі є два атоми водню, сума всіх чисел окислення в$\ce{H_2O}$ дорівнює$2 \left( +1 \right) + 1 \left( -2 \right) = 0$.
7. У багатоатомному іоні сума чисел окислення всіх атомів дорівнює загальному заряду на іоні. Наприклад, в$\ce{SO_4^{2-}}$, окислювальні числа$\ce{S}$ і$\ce{O}$ є$+6$ і$-2$, відповідно. Сума всіх чисел окислення в сульфат-іоні буде$1 \left( +6 \right) + 4 \left( -2 \right) = -2$, яка є зарядом іона.

Експертиза правил присвоєння окислювальних чисел виявляє, що існує безліч елементів, для яких немає певних правил, таких як азот, сірка, хлор. Ці елементи, як і деякі інші, можуть мати змінні числа окислення в залежності від інших атомів, з якими вони ковалентно пов'язані в молекулярній сполуці. Корисно проаналізувати кілька молекул, щоб побачити стратегію, яку слід дотримуватися при присвоєнні чисел окислення іншим атомам.

Числа окислення для атомів в двійковому іонному з'єднанні легко призначити, оскільки вони рівні заряду іона (правило 2). У$\ce{FeCl_3}$, число окислення заліза є$+3$, тоді як число окислення хлору є$-1$. В$\ce{Ca_3P_2}$, кальцій є$+2$, в той час як фосфор є$-3$. Це тому, що іонна сполука знаходиться у вигляді кристалічної решітки, яка насправді складається з цих іонів.

Призначення чисел окислення для молекулярних сполук складніше. Головне - пам'ятати правило 6: що сума всіх чисел окислення для будь-якого нейтрального виду повинна дорівнювати нулю. Обов'язково враховуйте всі індекси, які відображаються у формулі. Як приклад розглянемо з'єднання азотної кислоти,$\ce{HNO_3}$. Згідно з правилом 4, окислювальне число водню становить$+1$. Згідно з правилом 3, число окислення кисню становить$-2$. Не існує правила щодо азоту, але число його окислення можна розрахувати наступним чином.

$$1 \left( +1 \right) + x + 3 \left( -2 \right) = 0, \: \text{where} \: x \: \text{is the oxidation number of nitrogen}$$

$$\text{Solving:} \: x = 0 - 1 - \left( -6 \right) = +5$$

Число окислення атома азоту в$\ce{HNO_3}$ є$+5$. Часто при присвоєнні окислювальних чисел зручно записати його над символом всередині формули.

$$\overset{+1}{\ce{H}} \overset{+5}{\ce{N}} \overset{-2}{\ce{O_3}}$$

Ви можете задатися питанням, чи існують обмеження на значення чисел окислення. Ключовим моментом, який слід враховувати, є правило октету. Оскільки азот має 5 валентних електронів, то найбільше, що він може «втратити» при утворенні зв'язків в молекулі, становить 5, тому його максимально можливе число окислення$+5$. Крім того, він може отримати до 3 електронів, і тому його найнижче (найбільш негативне) можливе число окислення$-3$. Аналогічно, хлор може мати окислювальні числа, починаючи від$-1$ до$+7$.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Тіосульфат натрію - це біла кристалічна сполука (зліва), що складається з двох іонів натрію$\left( \ce{Na^+} \right)$ для кожного іона тіосульфату$\left( \ce{S_2O_3^{2-}} \right)$ (праворуч).

Тепер розглянемо іонне з'єднання тіосульфат натрію,$\ce{Na_2S_2O_3}$ (рис.$\PageIndex{1}$). Він містить тіосульфат багатоатомний іон,$\ce{S_2O_3^{2-}}$. Натрій не є частиною ковалентно зв'язаного багатоатомного іона, і тому його число окислення таке ж, як і в бінарній іонній сполуці,$+1$. Сірка - це атом, число окислення якого не охоплюється одним з правил. Число окислення сірки присвоюється змінна$x$ в наступному розрахунку. Пам'ятайте, що сума окислювальних чисел всіх елементів повинна дорівнювати нулю, тому що$\ce{Na_2S_2O_3}$ це нейтральне з'єднання.

$$\begin{align}2 \left( +1 \right) + 2 \left( x \right) + 3 \left( -2 \right) &= 0 \\[5pt] 2 + 2x -6 &=0 \\[5pt] -4 + 2x &= 0 \\[5pt] 2x &= +4 \\[5pt] x &= +2 \end{align}$$

Сірка має окислювальне число$+2$ в$\ce{Na_2S_2O_3}$. Зверніть увагу, як індекс 2 для$\ce{S}$ атома повинен бути врахований шляхом ділення результату віднімання на 2. Призначаючи числа окислення, ви робите це для кожного окремого атома. У наведеному вище прикладі кількість окислення сірки також можна було визначити, дивлячись лише на іон тіосульфату,$\ce{S_2O_3^{2-}}$.

$$\begin{align} 2 \left( x \right) + 3 \left( -2 \right) &= -2 \\[5pt] 2x - 6 &= -2 \\[5pt] 2x &= +4 \\[5pt] x &= +2 \end{align}$$

Дописувачі та атрибуція

• Template:ContribCK12
• Template:ContribSoult