Электроотрицательность, степень окисления и валентность химических элементов
Электроотрицательность
В химии широко применяется понятие электроотрицательности (ЭО) .
Свойство атомов данного элемента оттягивать на себя электроны от атомов других элементов в соединениях называют электроотрицательностью.
Электроотрицательность лития условно принимается за единицу, ЭО других элементов вычисляют соответственно. Существует шкала значений ЭО элементов.
Числовые значения ЭО элементов имеют приблизительные значения: это безразмерная величина. Чем выше ЭО элемента, тем ярче проявляются его неметаллические свойства. По ЭО элементы можно записать следующим образом:
$F > O > Cl > Br > S > P > C > H > Si > Al > Mg > Ca > Na > K > Cs$. Наибольшее значение ЭО имеет фтор.
Сопоставляя значения ЭО элементов от франция $(0,86)$ до фтора $(4,1)$, легко заметить, что ЭО подчиняется Периодическому закону.
В Периодической системе элементов ЭО в периоде растет с увеличением номера элемента (слева направо), а в главных подгруппах — уменьшается (сверху вниз).
В периодах по мере увеличения зарядов ядер атомов число электронов на внешнем слое увеличивается, радиус атомов уменьшается, поэтому легкость отдачи электронов уменьшается, ЭО возрастает, следовательно, усиливаются неметаллические свойства.
Степень окисления
Сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, называют бинарными (от лат. би — два ), или двухэлементными.
Вспомним типичные бинарные соединения, которые приводились в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентной полярной связи: $NaCl$ — хлорид натрия и $HCl$ — хлороводород. В первом случае связь ионная: атом натрия передал свой внешний электрон атому хлора и превратился при этом в ион с зарядом $+1$, а атом хлора принял электрон и превратился в ион с зарядом $-1$. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так:
${Na}↖{0}+{Cl}↖{0}→{Na}↖{+1}{Cl}↖{-1}$.
В молекуле же $HCl$ связь образуется за счет спаривания неспаренных внешних электронов и образования общей электронной пары атомов водорода и хлора.
Правильнее представлять образование ковалентной связи в молекуле хлороводорода как перекрывание одноэлектронного $s$-облака атома водорода одноэлектронным $р$-облаком атома хлора:
При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора: ${H}↖{δ+}→{Cl}↖{δ−}$, т.е. электрон не полностью перейдет от атома водорода к атому хлора, а частично, обусловливая тем самым частичный заряд атомов $δ$: $H^{+0,18}Cl^{-0,18}$. Если же представить, что и в молекуле $HCl$, как и в хлориде $NaCl$, электрон полностью перешел от атома водорода к атому хлора, то они получили бы заряды $+1$ и $-1$: ${H}↖{+1}{Cl}↖{−1}. Такие условные заряды называют степенью окисления. При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связующие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных атомов.
Степень окисления — это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из ионов.
Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значение, которое обычно ставится над символом элемента сверху, например:
${Na_2}↖{+1}{S}↖{-2}, {Mg_3}↖{+2}{N_2}↖{-3}, {H_3}↖{-1}{N}↖{-3}, {Cl_2}↖{0}$.
Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов или к которым смещены общие электронные пары, т.е. атомы более электроотрицательных элементов.
Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, т.е. атомы менее электроотрицательных элементов.
Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в свободном состоянии.
В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, всегда можно найти степень окисления другого элемента по формуле бинарного соединения. Например, найдем степень окисления хлора: $Cl_2O_7$. Обозначим степень окисления кислорода: ${Cl_2}{O_7}↖{-2}$. Следовательно, семь атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд $(-2)·7=-14$. Тогда общий заряд двух атомов хлора равен $+14$, а одного атома хлора $(+14):2=+7$.
Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например, карбида алюминия (соединения алюминия и углерода). Запишем знаки алюминия и углерода рядом — $AlC$, причем сначала — знак алюминия, т.к. это металл. Определим по таблице элементов Менделеева число внешних электронов: у $Al$ — $3$ электрона, у $С$ — $4$. Атом алюминия отдаст свои три внеш них электрона углероду и получит при этом степень окисления $+3$, равную заряду иона. Атом углерода, наоборот, примет недостающие до «заветной восьмерки» $4$ электрона и получит при этом степень окисления $-4$. Запишем эти значения в формулу $({Al}↖{+3}{C}↖{-4})$ и найдем наименьшее общее кратное для них, оно равно $12$. Затем рассчитаем индексы:
Валентность
Очень важное значение в описании химического строения органических соединений имеет понятие валентности.
Валентность характеризует способность атомов химических элементов к образованию химических связей; она определяет число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами в молекуле.
Валентность атома химического элемента определяется, в первую очередь, числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи.
Валентные возможности атомов определяются:
- числом неспаренных электронов (одноэлектронных орбиталей);
- наличием свободных орбиталей;
- наличием неподеленных пар электронов.
В органической химии понятие «валентность» замещает понятие «степень окисления», с которым привычно работать в неорганической химии. Однако это не одно и то же. Валентность не имеет знака и не может быть нулевой, тогда как степень окисления обязательно характеризуется знаком и может иметь значение, равное нулю.
Часть 1. Задание А5.
Проверяемые элементы: Электроотрицательность.Степень окисления и
валентность химических элементов.
Электроотрицательность -величина, характеризующая способность атома к поляризации ковалентных связей. Если в двухатомной молекуле А - В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным, чем А.
Электроотрицательностью атома называется способность атома в молекуле (соединении) притягивать электроны, связывающие его с другими атомами.
Понятие электроотрицательности (ЭО) ввел Л. Полинг (США, 1932 г.). Количественная характеристика электроотрицательности атома весьма условна и не может быть выражена в единицах каких-либо физических величин, поэтому для количественного определения ЭО предложено несколько шкал. Наибольшее признание и распространение получила шкала относительных ЭО:
Значения электроотрицательности элементов по Полингу
Электpоoтрицательность χ (греч. хи) - способность атома удерживать внешние (валентные) электроны. Она определяется степенью притяжения этих электронов к положительно заряженному ядру.
Это свойство проявляется в химических связях как смещение электронов связи в сторону более электроотрицательного атома.
Электpоотрицательность атомов, участвующих в образовании химической связи, – один из главных факторов, который определяет не только ТИП, но и СВОЙСТВА этой связи, и тем самым влияет на характер взаимодействия между атомами при протекании химической реакции.
В шкале относительных электроотрицательностей элементов Л. Полинга (составленной на основе энергий связей двухатомных молекул) металлы и элементы-органогены располагаются в следующий ряд:
Элeктроотрицательность элементов подчиняется периодическому закону: она растет слева направо в периодах и снизу вверх в главных подгруппах Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
Электроотрицательность не является абсолютной константой элемента. Она зависит от эффективного заряда ядра атома, который может изменяться под влиянием соседних атомов или групп атомов, типа атомных орбиталей и характера их гибридизации.
Степень окисления - это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединения состоят только из ионов.
Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, причём знак ставится перед числом:-1, -2, +3, в отличии от заряда иона, где знак ставится после числа.
В молекулах алгебраическая сумма степеней окисления элементов с учётом числа их атомов равна 0.
Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные,высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключая некоторые элементы:золото Au+3 (I группа), Cu+2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru.
Степени неметаллов могут быть как положительными так и отрицательными, в зависимости от того с каким атомом он соединён: если с атомом металла то всегда отрицательная, если с неметаллом-то может быть и +, и - (об этом вы узнаете при изучении ряда электроотрицательностей). Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно найти, вычтя из 8 номер группы, в которой находится данный элемент, высшая положительная равна числу электронов на внешнем слое (число электронов соответствует номеру группы).
Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.
Таблица, где указаны постоянные степени для наиболее часто используемых элементов:
Сте́пень окисле́ния (окислительное число, формальный заряд) - вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций, численная величина электрического заряда, приписываемого атому в молекуле в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов.
Представления о степени окисления положены в основу классификации и номенклатуры неорганических соединений.
Степень окисления является сугубо условной величиной, не имеющей физического смысла, но характеризующей образование химической связи межатомарного взаимодействия в молекуле.
Валентность химических элементов- (от лат. valens - имеющий силу) - способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов. В соединениях, образованных при помощи ионных связей, валентность атомов определяется числом присоединённых или отданных электронов. В соединениях с ковалентными связями валентность атомов определяется числом образовавшихся обобществленных электронных пар.
Постоянная валентность:
Запомнить:
Степенью окисления называют условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный характер.
1. Элемент в простом веществе имеет нулевую степень окисления. (Cu, H2)
2. Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле вещества равна нулю.
3. Все металлы имеют положительную степень окисления.
4. Бор и кремний в соединениях имеют положительные степени окисления.
5. Водород имеет в соединениях степень окисления (+1).Исключая гидриды
(соединения водорода с металлами главной подгруппы первой-второй групп, степень окисления -1, например Na + H -)
6. Кислород имеет степень окисления (-2),за исключением соединения кислорода со фтором OF2, степень окисления кислорода (+2), степень окисления фтора (-1) . И в перекисях Н 2 О 2 - степень окисления кислорода (-1);
7. Фтор имеет степень окисления (-1).
Электроотрицательность-свойство атомов НеМе притягивать к себе общие электронные пары. У электроотрицательности, такая же зависимость, что и у Неметаллических свойств: по преиоду (слева-напрво) увеличивается, по группе (сверху) ослабевает.
Самый электроотрицательный элемент Фтор, затем Кислород, Азот…и т.д….
Алгоритм выполнения задания в демонстрационном варианте:
Задание:
Aтом хлора расположен в 7 группе, поэтому может иметь максимальную степень окисления +7.
Такую степень окисления атом хлора проявляет в веществе НClO4.
Проверим это: У двух химических элементов водорода и кислорода степени окисления постоянны и равны соответственно +1 и -2. Число степеней окисления у кислорода равна (-2)·4=(-8), у водорода (+1)·1=(+1). Число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Следовательно (-8)+(+1)=(-7). Значит у атома хрома число положительных степеней равно 7, записываем степени окисленя над элементами. Степень окисления хлора равна +7 в соединении НClO4.
Ответ: Вариант 4. Степень окисления хлора равна +7 в соединении НClO4.
Различные формулировки задания А5:
3.Степень окисления хлора в Ca(ClO 2) 2
1) 0 2) -3 3) +3 4) +5
4.Наименьшей электроотрицательностью обладает элемент
5.Наименьшую степень окисления марганец имеет в соединении
1)MnSO 4 2)MnO 2 3)K 2 MnO 4 4)Mn 2 O 3
6.Азот проявляет степень окисления +3 в каждом из двух соединений
1)N 2 O 3 NH 3 2)NH 4 Cl N 2 O 3)HNO 2 N 2 H 4 4)NaNO 2 N 2 O 3
7.Валентность элемента равна
1)числу образуемых им σ связей
2)числу образуемых им связей
3)числу образуемых им ковалентных связей
4)степени окисления с противоположным знаком
8.Свою максимальную степень окисления азот проявляет в соединении
1)NH 4 Cl 2)NO 2 3)NH 4 NO 3 4)NOF
Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:
График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.
При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.
Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.
Степень окисления
Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?
1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.
2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:
3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:
Элемент |
Степень окисления практически во всех соединениях |
Исключения |
| водород H | +1 | Гидриды щелочных и щелочно-земельных металлов, например: |
| кислород O | -2 | Пероксиды водорода и металлов:
Фторид кислорода — |
4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.
5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.
Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)
6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:
низшая степень окисления неметалла = № группы − 8
Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.
Нахождение степеней окисления элементов в различных соединениях
Пример 1
Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.
Решение:
Запишем формулу серной кислоты:
Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).
Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF 2). Расставим известные степени окисления:
Обозначим степень окисления серы как x :
Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:
Т.е. мы получили следующее уравнение:
Решим его:
Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.
Пример 2
Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.
Решение:
Запишем формулу дихромата аммония:
Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:
Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).
Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH 4 + (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости). Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH 4 + , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH 4 + и анионами Cr 2 O 7 2- .
Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:
Т.е. мы получаем два независимых уравнения:
Решая которые, находим x и y :
Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.
Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать .
Валентность
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.
Валентные возможности атома зависят от количества:
1) неспаренных электронов
2) неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней
3) пустых электронных орбиталей валентного уровня
Валентные возможности атома водорода
Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:
Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.
Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.
Валентные возможности атома углерода
Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:
Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:
Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.
Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных () орбиталей валентного уровня. Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:
Валентные возможности атома азота
Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:
Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH 3), азотистой кислоты (HNO 2), треххлористого азота (NCl 3) и т.д.
Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор() предоставляет ее другому атому с вакантной () орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е. для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:
Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.
Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии. Атом азота не имеет d -подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO 3 или оксида азота N 2 O 5 ? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:
Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованная π -связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O 3 , бензола C 6 H 6 и т.д.
Валентные возможности фосфора
Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:
Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.
Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d -подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.
В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s -орбитали:
Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.
Валентные возможности атома кислорода
Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:
Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).
Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d -подуровня, распаривание электронов s и p- орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.
Валентные возможности атома серы
Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:
У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H 2 S.
Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d -подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p -подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:
В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO 2 , SF 4 , SOCl 2 и т.д.
При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s -подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:
В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO 3 , H 2 SO 4 , SO 2 Cl 2 и т.д.
Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Способность атома к образованию химических связей называют валентностью . Количественной мерой валентности принято считать число разных атомов в молекуле, с которыми данный элемент образует связи.
Согласно обменному механизму метода валентных связей, валентность химических элементов определяется числом содержащихся в атоме неспаренных электронов. Для s- и p-элементов - это электроны внешнего уровня, для d-элементов - внешнего и предвнешнего уровней.
Значения высшей и низшей валентностей химического элемента можно определить при помощи Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Высшая валентность элемента совпадает с номером группы, в которой он расположен, а низшая представляет собой разность между числом 8 и номером группы. Например, бром расположен в VIIA группе, значит его высшая валентность равна VII, а низшая - I.
Спаренные (расположенные по два на атомных орбиталях) электроны при возбуждении могут разъединяться при наличии свободных ячеек того же уровня (разъединение электронов в какой-либо уровень невозможно). Рассмотрим на примере элементов Iи II групп. Например, валентность элементов главной подгруппы I группы равна единице, так ка на внешнем уровне атомы этих элементов имеют один электрон:
3 Li 1s 2 2s 1
Валентность элементов главной подгруппы II группы в основном (невозбужденном) состоянии равна нулю, так как на внешнем энергетическом уровне нет неспаренных электронов:
4 Be 1s 2 2 s 2
При возбуждении этих атомов спаренные s-электроны разъединяются в свободные ячейки p-подуровня этого же уровня и валентность становится равной двум (II):
Степень окисления
Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .
Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.
Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (N 2 , H 2 , Cl 2).
Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.
В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .
При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.
Понятие степени окисления для большинства соединений имеет условных характер, так как не отражает реальный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.
Большинство элементов могут проявлять разную степень окисления в соединениях. При определении их степени окисления пользуются правилом, согласно которому сумма степеней окисления элементов в электронейтральныхмолекуах равна нулю, а в сложных ионах - заряду этих ионов. В качестве примера рассчитаем степень окисления азота в соединениях состава KNO 2 и HNO 3 . Степень окисления водорода и щелочных металлов в соединениях равна (+), а степень окисления кислорода - (-2). Соответственно степень окисления азота равна:
KNO 2 1+ x + 2 × (-2) = 0, x=+3.
HNO 3 1+x+ x + 3 × (-2) = 0, x=+5.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Валентность IV характерна для: а)Ca; б) P; в) O; г)Si? |
| Решение | Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем рассматривать каждый из предложенных вариантов в отдельности.
а) Кальций - металл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность кальция равна II. Ответ неверный. б) Фосфор - неметалл. Относится к группе химических элементов с переменной валентностью: высшая определяется номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. равна V, а низшая -разностью между числом 8 и номером группы, т.е. равна III. Ответ неверный. в) Кислород — неметалл. Характеризуется единственно возможным значением валентности равным II. Ответ неверный. г) Кремний — неметалл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность кремния равна IV. Это верный ответ. |
| Ответ | Вариант (г) |
ПРИМЕР 2
| Задание | Какую валентность имеет железо в соединении, которое образуется при его взаимодействии с соляной кислотой: а)I; б) II; в) III; г) VIII? |
| Решение | Запишем уравнение взаимодействия железа с соляной кислотой:
Fe + HCl = FeCl 2 + H 2 . В результате взаимодействия образуется хлорид железа и выделяется водород. Чтобы определить валентность железа по химической формуле, сначала считаем количество атомов хлора: Вычисляем общее число единиц валентности хлора: Определяем число атомов железа: оно равно 1. Тогда валентность железа в его хлориде будет равна: |
| Ответ | Валентность железа в соединении, образовавшемся при его взаимодействии с соляной кислотой равна II. |
Среди химических реакций, в том числе и в природе, окислительно-восстановительные реакции являются самыми распространенными. К их числу относятся, например, фотосинтез, обмен веществ, биологические процессы, а также сжигание топлива, получение металлов и многие другие реакции. Окислительно-восстановительные реакции издавна успешно использовались человечеством в различных целях, но сама электронная теория окислительно-восстановительных процессов появилась совсем недавно – в начале XX века.
Для того чтобы перейти к современной теории окисления-восстановления, необходимо ввести несколько понятий – это валентность, степень окисления и строение электронных оболочек атомов . Изучая такие разделы, как , элементов и , мы уже сталкивались с этими понятиями. Далее, рассмотрим их подробнее.
Валентность и степень окисления
Валентность – понятие сложное, которое возникло вместе с понятием химической связи и определяется, как свойство атомов присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента, т.е. это способность атомов образовывать химические связи в соединениях. Первоначально валентность определяли по водороду (его валентность принимали равной 1) или кислороду (валентность равна 2). Позднее стали различать положительную и отрицательную валентность. Количественно, положительная валентность характеризуется количеством отданных атомом электронов, а отрицательная валентность – числом электронов, которые необходимо присоединить атому для реализации правила октета (т.е. завершения внешнего энергетического уровня). Позднее понятие валентности, стало сочетать в себе также и природу химических связей, возникающих между атомами в их соединении.
Как правило, высшая валентность элементов соответствует номеру группы в периодической системе. Но, как и во всех правилах, есть исключения: например, медь и золото находятся в первой группе периодической системы и их валентность должна быть равна номеру группы, т.е. 1, но в действительности же высшая валентность меди равна 2, а золота – 3.
Степень окисления иногда называют окислительным числом, электрохимической валентностью или состоянием окисления и является понятием условным. Так, при вычислении степени окисления предполагается допущение, что молекулу составляют только ионы, хотя большинство соединений вовсе не являются ионными. Количественно степень окисления атомов элемента в соединении определяется числом присоединенных к атому или смещенных от атома электронов. Таким образом, при отсутствии смещения электронов степень окисления будет нулевая, при смещении электронов в сторону данного атома – отрицательная, при смещении от данного атома – положительная.
Определяя степень окисления атомов необходимо следовать следующим правилам:
- В молекулах простых веществ и металлов степень окисления атомов равна 0.
- Водород почти во всех соединениях имеет степень окисления равную +1 (и только в гидридах активных металлов равную -1).
- Для атомов кислорода в его соединениях типична степень окисления -2 (исключения: OF 2 и пероксиды металлов, степень окисления кислорода соответственно равна +2 и -1).
- Постоянную степень окисления имеют также атомы щелочных (+1) и щелочноземельных (+2) металлов, а также фтора (-1)
- В простых ионных соединениях, степень окисления равна по величине и знаку его электрическому заряду.
- Для ковалентного соединения, более электроотрицательный атом имеет степень окисления со знаком «-», а менее электроотрицательный – со знаком «+».
- Для комплексных соединений указывают степень окисления центрального атома.
- Сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю.
Например, определим степень окисления Se в соединении H 2 SeO 3
Так, степень окисления водорода равна +1, кислорода -2, а сумма всех степеней окисления равна 0, составим выражение, учитывая число атомов в соединении H 2 + Se х O 3 -2:
(+1)2+х+(-2)3=0, откуда
т.е. H 2 + Se +4 O 3 -2
Зная какую величину имеет степень окисления элемента в соединении возможно предсказать его химические свойства и реакционную активность по отношению к другим соединениям, а также является ли данное соединение восстановителем или окислителем . Эти понятия в полной мере раскрываются в теории окисления-восстановления :
- Окисление – это процесс потери электронов атомом, ионом или молекулой, что приводит к повышению степени окисления.
Al 0 -3e — = Al +3 ;
2O -2 -4e — = O 2 ;
2Cl — -2e — = Cl 2
- Восстановление – это процесс при котором атом, ион или молекула приобретают электроны, что приводит к понижению степени окисления.
Ca +2 +2e — = Ca 0 ;
2H + +2e — =H 2
- Окислители – соединения, принимающие электроны в ходе химической реакции, а восстановители – отдающие электроны соединения. Восстановители во время реакции окисляются, а окислители – восстанавливаются.
- Сущность окислительно-восстановительных реакций – перемещение электронов (или смещение электронных пар) от одних веществ к другим, сопровождающихся изменением степеней окисления атомов или ионов. В таких реакциях один элемент не может окислиться без восстановления другого, т.к. передача электронов всегда вызывает и окисление и восстановление. Таким образом, общее число электронов, отнимаемое при окислении у одного элемента, совпадает с числом электронов, получаемых другим элементом при восстановлении.
Так, если элементы в соединениях находятся в своих высших степенях окисления, то они будут проявлять только окислительные свойства, в связи с тем, что отдавать электроны они уже больше не могут. Напротив, если элементы в соединениях находятся в своих низших степенях окисления, то они проявляют только восстановительные свойства, т.к. присоединять электроны они больше не могут. Атомы элементов в промежуточной степени окисления, в зависимости от условий протекания реакции, могут быть как окислителями, так и восстановителями. Приведем пример: сера в своей высшей степени окисления +6 в соединении H 2 SO 4 , может проявлять только окислительные свойства, в соединении H 2 S – сера находится в своей низшей степени окисления -2 и будет проявлять только восстановительные свойства, а в соединении H 2 SO 3 находясь в промежуточной степени окисления +4, сера может быть как окислителем, так и восстановителем.
На основании значений степеней окисления элементов можно предсказать вероятность реакции между веществами. Понятно, что если оба элемента в своих соединениях находятся в высших или низших степенях окисления, то реакция между ними невозможна. Реакция возможна, если одно из соединений может проявлять окислительные свойства, а другое – восстановительные. Например, в HI и H 2 S как йод, так и сера находятся в своих низших степенях окисления (-1 и -2) и могут быть только восстановителями, следовательно, реагировать друг с другом не будут. Зато они прекрасно будут взаимодействовать с H 2 SO 4 , для которой характерны восстановительные свойства, т.к. сера здесь находится в своей высшей степени окисления.
Важнейшие восстановители и окислители представлены в следующей таблице.
| Восстановители | |
| Нейтральные атомы | Общая схема M —
ne →
M n +
Все металлы, а также водород и углерод.Наиболее сильные восстановители – щелочные и щелочно-земельные металлы, а также лантаноиды и актиноиды. Слабые восстановители – благородные металлы – Au, Ag, Pt, Ir, Os, Pd, Ru, Rh.В главных подгруппах периодической системы восстановительная способность нейтральных атомов, растет с увеличением порядкового номера. |
| отрицательно заряженные ионы неметаллов | Общая схема Э +
ne — → Э
n-
Отрицательно заряженные ионы являются сильными восстановителями, в связи с тем, что они могут отдавать как избыточные электроны, так и свои внешние электроны. Восстановительная способность, при одинаковом заряде, растет с увеличением радиуса атома. Например, I — более сильный восстановитель, чем Br — и Cl — .Восстановителями также могут быть S 2- , Se 2- , Te 2- и другие. |
| положительно заряженные ионы металлов низшей степени окисления | Ионы металлов низшей степени окисления могут проявлять восстановительные свойства, если для них характерны состояния с более высокой степенью окисления. Например, Sn 2+ -2e — → Sn 4+ Cr 2+ -e — → Cr 3+ Cu + -e — → Cu 2+ |
| Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы в промежуточной степени окисления | Сложные или комплексные ионы, а также молекулы могут проявлять восстановительные свойства, если входящие в их состав атомы, находятся в промежуточной степени окисления. Например, SO 3 2- , NO 2 — , AsO 3 3- , 4- , SO 2 , CO, NO и другие. |
| Углерод, Оксид углерода (II), Железо, Цинк, Алюминий, Олово, Сернистая кислота, Сульфит и бисульфит натрия, Сульфид натрия, Тиосульфат натрия, Водород, Электрический ток | |
| Окислители | |
| Нейтральные атомы | Общая схема Э + ne- → Э n-
Окислителями являются атомы р – элементов. Типичные неметаллы – фтор, кислород, хлор. Самые сильные окислители – галогены и кислород. В главных подгруппах 7, 6, 5 и 4 групп сверху вниз окислительная активность атомов понижается |
| положительно заряженные ионы металлов | Все положительно заряженные ионы металлов в разной степени проявляют окислительные свойства. Из них наиболее сильные окислители – это ионы в высокой степени окисления, например, Sn 4+ , Fe 3+ , Cu 2+ . Ионы благородных металлов даже в низкой степени окисления являются сильными окислителями. |
| Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в состоянии высшей степени окисления | Типичными окислителями являются вещества, в состав которых входят атомы металла в состоянии наивысшей степени окисления. Например, KMnO4, K2Cr2O7, K2CrO4, HAuCl4. |
| Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы неметалла в состоянии положительной степени окисления | В основном это кислородсодержащие кислоты, а также соответствующие им оксиды и соли. Например, SO 3 , H 2 SO 4 , HClO, HClO 3 , NaOBr и другие. В ряду H 2 SO4 → H 2 SeO4 → H 6 TeO 6 окислительная активность возрастает от серной к теллуровой кислоте. В ряду HClO — HClO 2 — HClO 3 — HClO 4 HBrO — HBrO 3 — HIO — HIO 3 — HIO 4 , H5IO 6 окислительная активность увеличивается справа налево, а усиление кислотных свойств происходит слева направо. |
| Важнейшие восстановители в технике и лабораторной практике | Кислород, Озон, Перманганат калия, Хромовая и Двухромовая кислоты, Азотная кислота, Азотистая кислота, Серная кислота (конц), Пероксид водорода, Электрический ток, Хлорноватая кислота, Диоксид марганца, Диоксид свинца, Хлорная известь, Растворы гипохлоритов калия и натрия, Гипобромид калия, Гексацианоферрат (III) калия. |
Loading...