Степень окисления: что это и как её определить

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении. Он показывает, сколько электронов атом как бы отдал другому атому или принял от него. Слово «условный» здесь главное: реального заряда в большинстве случаев нет, электроны просто смещены к более электроотрицательному атому, а химики договорились считать это смещение полной отдачей или полным приёмом электрона.

Зачем вообще придумали степень окисления

В молекуле воды кислород не забирает у водорода электрон целиком — связь ковалентная, электронная пара просто сдвинута в сторону кислорода. Но считать доли электрона неудобно. Поэтому в химии договорились: если электронная пара сдвинута к атому, он получает степень окисления со знаком минус, а тот, кто «отдал» электроны — со знаком плюс. Получается упрощённая, но очень удобная модель. С её помощью легко проверять формулы, уравнивать реакции и понимать, кто в реакции окислитель, а кто восстановитель.

Как определить степень окисления атома

Есть несколько правил, на которые опираются в школьной программе.

• У атомов в простых веществах степень окисления всегда равна 0. Например, у кислорода в молекуле O₂, у железа в куске металла, у азота в N₂ — заряда нет, потому что атомы одинаковые и делить электроны между собой «нечестно» невозможно.
• В сложном веществе сумма степеней окисления всех атомов равна нулю, если это нейтральная молекула, и равна заряду иона, если речь идёт об ионе.
• У кислорода в подавляющем большинстве соединений степень окисления −2.
• У водорода в соединениях с неметаллами она обычно +1, а в соединениях с активными металлами (гидридах) — −1.
• У щелочных металлов (литий, натрий, калий и другие металлы первой группы) степень окисления в соединениях всегда +1.
• У щелочноземельных металлов (кальций, магний, барий) — всегда +2.

Дальше действует простая арифметика: если известны степени окисления всех атомов, кроме одного, недостающую находят из условия, что сумма даёт ноль (или заряд иона). Возьмём серную кислоту H₂SO₄. Водород даёт +1, значит два атома водорода дают +2. Кислород даёт −2, четыре атома кислорода — −8. Чтобы всё уравнялось до нуля, сера должна дать +6. Это и есть её степень окисления в этом соединении.

Чем степень окисления отличается от заряда иона и валентности

Школьники часто путают три похожих понятия, и это нормально: они действительно связаны, но означают разное.

Заряд иона — это то, что реально существует, например у иона натрия Na⁺ заряд +1 в буквальном смысле, потому что атом отдал электрон и стал положительно заряженной частицей. Степень окисления — это расчётная величина, применимая и к веществам с ковалентными связями, где никакого реального заряда нет. Валентность вообще не имеет знака и не связана с электроотрицательностью напрямую, она просто считает число связей.

Примеры расчёта на разных соединениях

Разберём ещё пару случаев, чтобы правило закрепилось.

В углекислом газе CO₂ кислород даёт −2, два атома кислорода — −4. Чтобы сумма стала нулевой, углерод должен иметь степень окисления +4.

В аммиаке NH₃ водород даёт +1, три атома водорода — +3. Значит, азот должен иметь степень окисления −3, чтобы сумма обнулилась.

В ионе сульфата SO₄²⁻ сумма степеней окисления должна равняться заряду иона, то есть −2. Кислород даёт −8 (четыре атома по −2), значит сера должна дать +6, чтобы −8 + 6 = −2.

Важный момент: у одного и того же элемента степень окисления в разных соединениях может отличаться. Сера в сероводороде H₂S имеет степень окисления −2, а в серной кислоте — уже +6. Азот вообще может принимать значения от −3 до +5 в зависимости от того, с чем он связан. Именно поэтому степень окисления определяют для конкретного соединения, а не запоминают как постоянное свойство элемента.

Где степень окисления пригождается на практике

В формулах соединений степень окисления используют, чтобы проверить, правильно ли составлена формула и расставлены ли индексы. Если сумма зарядов не сходится к нулю (или к заряду иона), значит, в формуле ошибка. Это же правило помогает и в обратную сторону — составить формулу вещества, зная валентности или типичные степени окисления элементов.

Ещё степень окисления нужна, чтобы разбираться в окислительно-восстановительных реакциях: там как раз отслеживают, у какого атома степень окисления повысилась (он отдал электроны, окислился), а у какого понизилась (он принял электроны, восстановился). Без понятия степени окисления такие реакции анализировать было бы гораздо труднее.

Частые вопросы про степень окисления

Может ли степень окисления быть дробной?

В отдельных сложных веществах формально может получиться дробное число, если один и тот же элемент в молекуле занимает несколько разных позиций с разным реальным окружением, а среднее значение выводят на всю молекулу. В школьной программе такие случаи встречаются редко, обычно степень окисления получается целым числом.

Почему у простых веществ степень окисления всегда ноль?

Потому что в простом веществе связаны одинаковые атомы одного элемента. Электроотрицательность у них одинаковая, значит, ни один атом не «перетягивает» электроны сильнее другого, и делить заряд между ними бессмысленно — оба остаются нейтральными.

Что делать, если не получается посчитать степень окисления элемента в незнакомом соединении?

Нужно сначала расставить степени окисления для элементов с постоянными значениями — кислорода, водорода, металлов первой и второй групп, а неизвестный элемент найти по остатку, помня, что сумма всех степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю, а в ионе — заряду этого иона.

Главная ошибка при работе со степенью окисления — путать её с реальным зарядом или пытаться запомнить одно фиксированное значение для элемента на все случаи жизни. Проще запомнить не цифры, а порядок действий: сначала расставляют постоянные значения, потом находят неизвестное через сумму, равную нулю или заряду иона.

Читайте также

• Возведение дроби в степень - правило и примеры
• Кандидат наук - как стать, требования и преимущества ученой степени
• Категории преступлений - понятия, степени и особенности классификации
• Описание степенных функций: виды, свойства, графики
• Соискатель учёной степени - требования к кандидату, форма обучения и экзамены
• Степени чисел - правила возведения, примеры и таблица основных степеней