Формальний заряд атома в сполуках - допоміжна величина, зазвичай її використовують в описах властивостей елементів в хімії. цей умовний електричний заряд і є ступінь окислення. Його значення змінюється в результаті багатьох хімічних процесів. Хоча заряд є формальним, він яскраво характеризує властивості і поведінку атомів в окисно-відновних реакціях (ОВР).
Окислення і відновлення
У минулому хіміки використовували термін «окислення», щоб описати взаємодію кисню з іншими елементами. Назва реакцій походить від латинської назви кисню - Oxygenium. Пізніше з`ясувалося, що інші елементи теж окислюють. У цьому випадку вони відновлюються - приєднують електрони. Кожен атом при утворенні молекули змінює будову своєї валентної електронної оболонки. У цьому випадку з`являється формальний заряд, величина якого залежить від кількості умовно відданих або прийнятих електронів. Для характеристики цієї величини раніше застосовували англійська хімічний термін "oxidation number", який в перекладі означає «окислительное число». При його використанні виходять з припущення, що зв`язують електрони в молекулах або іони належать атому, що володіє більш високим значенням електронегативності (ЕО). Здатність утримувати свої електрони і притягувати їх від інших атомів добре виражена у сильних неметалів (галогенів, кисню). Протилежними властивостями володіють сильні метали (натрій, калій, літій, кальцій, інші лужні і лужноземельні елементи).
Визначення ступеня окислення
Ступенем окислення називають заряд, який атом придбав би в тому випадку, якщо б беруть участь в утворенні зв`язку електрони повністю змістилися до більш електронегативного елементу. Є речовини, які не мають молекулярного будови (нітрати лужних металів та інші сполуки). У цих випадках ступінь окислення збігається із зарядом іона. Умовний або реальний заряд показує, який процес стався до того, як атоми придбали свій нинішній стан. Позитивне значення ступеня окислення - це загальна кількість електронів, які були видалені з атомів. Негативне значення ступеня окислення дорівнює числу придбаних електронів. За зміною стану окислення хімічного елемента судять про те, що відбувається з його атомами в ході реакції (і навпаки). За кольором речовини визначають, які відбулися зміни в стані окислення. Сполуки хрому, заліза і ряду інших елементів, в яких вони проявляють різну валентність, пофарбовані неоднаково.
Негативне, нульове і позитивне значення ступеня окислення
Прості речовини утворені хімічними елементами з однаковим значенням ЕО. В цьому випадку зв`язують електрони належать всім структурним часткам в рівній мірі. Отже, в простих речовинах елементам невластиво стан окислення (Н02, Про02, З0). Коли атоми приймають електрони або загальне хмара зміщується в їх сторону, заряди прийнято писати зі знаком "мінус". Наприклад, F-1,Про-2, З-4. Віддаючи електрони, атоми набувають реальний або формальний позитивний заряд. В оксиді OF2 атом кисню віддає по одному електрону двом атомам фтору і знаходиться в стані окислення Про+2. Вважають, що в молекулі або багатоатомних йоні більш електронегативний атоми отримують все зв`язують електрони.
Сірка - елемент, що виявляє різні валентність і ступені окиснення
Хімічні елементи головних підгруп найчастіше виявляють нижчу валентність рівну VIII. Наприклад, валентність сірки в сірководні і сульфідах металів - II. Для елемента характерні проміжні і вища валентність в збудженому стані, коли атом віддає один, два, чотири або всі шість електронів і проявляє відповідно валентності I, II, IV, VI. Такі ж значення, тільки зі знаком "мінус" або "плюс", мають ступеня окислення сірки:
- в сульфіді фтору віддає один електрон: -1;
- в сірководні нижче значення: -2;
- в диоксиде проміжний стан: +4;
- в триоксид, сірчаної кислоти і сульфатах: +6.
У своєму вищому стані окислення сірка тільки приймає електрони, в нижчого ступеня - проявляє сильні відновні властивості. атоми S+4 можуть проявляти в з`єднаннях функції восстановителей або окислювачів в залежності від умов.
Перехід електронів в хімічних реакціях
При утворенні кристала кухонної солі натрій віддає електрони більш електронегативного хлору. Ступені окислення елементів збігаються з зарядами іонів: Na+1Cl-1. Для молекул, створених шляхом усуспільнення і зміщення електронних пар до більш електронегативного атома, застосовні тільки уявлення про формальне заряді. Але можна припустити, що всі з`єднання складаються з іонів. Тоді атоми, притягаючи електрони, набувають умовний негативний заряд, а віддаючи, - позитивний. У реакціях вказують, яке число електронів зміщується. Наприклад, в молекулі діоксиду вуглецю С+4Про-22 вказаний у верхньому правому куті індекс при хімічному символі вуглецю відображає кількість електронів, які ви видалили з атома. Для кисню в цій речовині характерний стан окислення -2. Відповідний індекс при хімічному знаку О - кількість доданих електронів в атомі.
Як підрахувати ступеня окислення
Підрахунок кількості відданих і приєднаних атомами електронів може забрати багато часу. Полегшують це завдання таких правил:
- У простих речовинах ступеня окислення дорівнюють нулю.
- Сума окислення всіх атомів або іонів в нейтральному речовині дорівнює нулю.
- У складному йоні сума ступенів окислення всіх елементів повинна відповідати заряду всієї частки.
- Більш електронегативний атом набуває негативного стан окислення, яке записують зі знаком "мінус".
- Менш електронегативні елементи отримують позитивні ступеня окислення, їх записують зі знаком "плюс".
- Кисень в основному проявляє ступінь окислення, рівну -2.
- Для водню характерне значення: +1, в гідридах металів зустрічається: Н-1.
- Фтор - найбільш електронегативний з усіх елементів, його стан окислення завжди дорівнює -4.
- Для більшості металів окислювальні числа і валентності збігаються.
Ступінь окислення і валентність
Більшість сполук утворюються в результаті окисно-відновних процесів. Перехід або зміщення електронів від одних елементів до інших призводить до зміни їх стану окислення і валентності. Найчастіше ці величини збігаються. Як синонім до терміну «ступінь окислення» можна використовувати словосполучення «електрохімічна валентність». Але є винятки, наприклад, в іоні амонію азот чотиривалентний. Одночасно атом цього елемента знаходиться в стані окислення -3. В органічних речовинах вуглець завжди чотиривалентний, але стану окислення атома С в метані СН4, мурашиному спирті СН3ВІН і кислоті НСООН мають інші значення: -4, -2 і +2.
Окислювально-відновні реакції
До окислювально-відновним відносяться багато найважливіші процеси в промисловості, техніці, живій і неживій природі: горіння, корозія, бродіння, внутрішньоклітинний дихання, фотосинтез і інші явища.
При складанні рівнянь ОВР підбирають коефіцієнти, використовуючи метод електронного балансу, в якому оперують такими категоріями:
- ступеня окислення;
- відновник віддає електрони і окислюється;
- окислювач приймає електрони і відновлюється;
- число відданих електронів має дорівнювати числу приєднаних.
Придбання електронів атомом призводить до зниження його ступеня окислення (відновлення). Втрата атомом одного або декількох електронів супроводжується підвищенням окисного числа елемента в результаті реакцій. Для ОВР, що протікають між іонами сильних електролітів у водних розчинах, частіше використовують не електронний баланс, а метод напівреакцій.