Srednje oksidacijsko stanje. Valencija i oksidacijsko stanje - priprema za ispit iz kemije

U kemiji se pojmovi "oksidacija" i "redukcija" odnose na reakcije u kojima atom ili skupina atoma gubi odnosno dobiva elektrone. Oksidacijsko stanje je numerička vrijednost dodijeljena jednom ili više atoma koja karakterizira broj redistribuiranih elektrona i pokazuje kako su ti elektroni raspoređeni između atoma tijekom reakcije. Određivanje ove vrijednosti može biti jednostavan ili prilično složen postupak, ovisno o atomima i molekulama koje se od njih sastoje. Štoviše, atomi nekih elemenata mogu imati nekoliko oksidacijskih stanja. Srećom, postoje jednostavna, nedvosmislena pravila za određivanje oksidacijskog stanja, a za njihovo pouzdano korištenje dovoljno je poznavanje osnova kemije i algebre.

Koraci

1. dio

Utvrdite je li dotična tvar elementarna. Oksidacijsko stanje atoma izvan kemijskog spoja je nula. Ovo pravilo vrijedi kako za tvari nastale od pojedinačnih slobodnih atoma, tako i za one koje se sastoje od dvije ili višeatomnih molekula jednog elementa.

• Na primjer, Al(s) i Cl 2 imaju oksidacijsko stanje 0 jer su oba u kemijski nevezanom elementarnom stanju.
• Imajte na umu da je alotropni oblik sumpora S8, ili oktasumpor, unatoč svojoj atipičnoj strukturi, također karakteriziran nultim oksidacijskim stanjem.

1. Odredite sastoji li se tvar u pitanju od iona. Oksidacijsko stanje iona jednako je njihovom naboju. To vrijedi i za slobodne ione i za one koji su dio kemijskih spojeva.

   • Na primjer, oksidacijsko stanje Cl - iona je -1.
   • Oksidacijsko stanje Cl iona u kemijskom spoju NaCl također je -1. Budući da ion Na po definiciji ima naboj +1, zaključujemo da ion Cl ima naboj -1, pa je stoga njegovo oksidacijsko stanje -1.

2. Imajte na umu da metalni ioni mogu imati nekoliko oksidacijskih stanja. Atomi mnogih metalnih elemenata mogu biti ionizirani u različitim stupnjevima. Na primjer, naboj iona metala kao što je željezo (Fe) je +2 ili +3. Naboj metalnih iona (i njihovo oksidacijsko stanje) može se odrediti nabojima iona drugih elemenata s kojima je metal dio kemijskog spoja; u tekstu je taj naboj označen rimskim brojevima: npr. željezo (III) ima oksidacijski stupanj +3.

   • Kao primjer, razmotrite spoj koji sadrži aluminijev ion. Ukupni naboj spoja AlCl 3 je nula. Budući da znamo da Cl - ioni imaju naboj od -1, a postoje 3 takva iona u spoju, da bi tvar o kojoj je riječ bila ukupno neutralna, Al ion mora imati naboj od +3. Dakle, u ovom slučaju, stupanj oksidacije aluminija je +3.

3. Oksidacijsko stanje kisika je -2 (uz neke iznimke). U gotovo svim slučajevima atomi kisika imaju oksidacijsko stanje -2. Postoji nekoliko iznimaka od ovog pravila:

   • Ako je kisik u svom elementarnom stanju (O2), njegovo oksidacijsko stanje je 0, kao i za ostale elementarne tvari.
   • Ako je uključen kisik peroksid, njegovo oksidacijsko stanje je -1. Peroksidi su skupina spojeva koji sadrže jednostavnu vezu kisik-kisik (to jest, peroksidni anion O 2 -2). Primjerice, u sastavu molekule H 2 O 2 (vodikov peroksid) kisik ima naboj i oksidacijsko stanje -1.
   • U kombinaciji s fluorom, kisik ima oksidacijsko stanje +2, pročitajte pravilo za fluor u nastavku.

4. Vodik ima oksidacijsko stanje +1, uz neke iznimke. Kao i kod kisika, i ovdje postoje iznimke. Tipično, oksidacijsko stanje vodika je +1 (osim ako nije u elementarnom stanju H2). Međutim, u spojevima koji se nazivaju hidridi, oksidacijsko stanje vodika je -1.

   • Na primjer, u H2O oksidacijsko stanje vodika je +1 jer atom kisika ima naboj -2, a za ukupnu neutralnost potrebna su dva naboja +1. Međutim, u sastavu natrijevog hidrida, oksidacijsko stanje vodika je već -1, budući da Na ion nosi naboj od +1, a za ukupnu električnu neutralnost, naboj atoma vodika (a time i njegovo oksidacijsko stanje) mora biti jednak -1.

5. Fluor Stalno ima oksidacijsko stanje -1. Kao što je već navedeno, oksidacijsko stanje nekih elemenata (metalni ioni, atomi kisika u peroksidima itd.) može varirati ovisno o nizu čimbenika. Međutim, stupanj oksidacije fluora uvijek je -1. To se objašnjava činjenicom da ovaj element ima najveću elektronegativnost - drugim riječima, atomi fluora su najmanje voljni odvojiti se od vlastitih elektrona i najaktivnije privlače strane elektrone. Dakle, njihov naboj ostaje nepromijenjen.

6. Zbroj oksidacijskih stanja u spoju jednak je njegovom naboju. Oksidacijski stupnjevi svih atoma u kemijskom spoju moraju zbrojiti naboj tog spoja. Na primjer, ako je spoj neutralan, zbroj oksidacijskih stanja svih njegovih atoma mora biti nula; ako je spoj poliatomski ion s nabojem -1, zbroj oksidacijskih stanja je -1, i tako dalje.

   • Ovo je dobar način da provjerite - ako zbroj oksidacijskih stanja nije jednak ukupnom naboju spoja, onda ste negdje pogriješili.

   2. dio

   Određivanje oksidacijskog stanja bez korištenja kemijskih zakona

   1. Pronađite atome koji nemaju stroga pravila glede oksidacijskih brojeva. Za neke elemente ne postoje čvrsto utvrđena pravila za određivanje oksidacijskog stanja. Ako atom ne potpada ni pod jedno od gore navedenih pravila i ne znate njegov naboj (na primjer, atom je dio kompleksa i njegov naboj nije određen), možete odrediti oksidacijski broj takvog atoma pomoću eliminacija. Prvo odredite naboj svih ostalih atoma spoja, a zatim iz poznatog ukupnog naboja spoja izračunajte oksidacijsko stanje zadanog atoma.

      • Na primjer, u spoju Na 2 SO 4 naboj atoma sumpora (S) je nepoznat - znamo samo da nije nula, budući da sumpor nije u elementarnom stanju. Ovaj spoj služi kao dobar primjer za ilustraciju algebarske metode određivanja oksidacijskog stanja.

   2. Odredite oksidacijska stanja preostalih elemenata u spoju. Pomoću gore opisanih pravila odredite oksidacijska stanja preostalih atoma spoja. Ne zaboravite na iznimke od pravila u slučaju O, H atoma i tako dalje.

      • Za Na 2 SO 4, koristeći naša pravila, nalazimo da je naboj (a time i oksidacijsko stanje) iona Na +1, a za svaki od atoma kisika -2.

   3. Pronađite nepoznati oksidacijski broj iz naboja spoja. Sada imate sve podatke za jednostavan izračun željenog oksidacijskog stanja. Zapišite jednadžbu na čijoj lijevoj strani će biti zbroj broja dobivenog u prethodnom koraku izračuna i nepoznatog oksidacijskog stanja, a na desnoj strani - ukupni naboj spoja. Drugim riječima, (Zbroj poznatih oksidacijskih stanja) + (željeno oksidacijsko stanje) = (naboj spoja).

      • U našem slučaju otopina Na 2 SO 4 izgleda ovako:
        • (Zbroj poznatih oksidacijskih stanja) + (željeno oksidacijsko stanje) = (naboj spoja)
        • -6 + S = 0
        • S = 0 + 6
        • S = 6. U Na 2 SO 4 sumpor ima oksidacijsko stanje 6 .
   • U spojevima zbroj svih oksidacijskih stanja mora biti jednak naboju. Na primjer, ako je spoj dvoatomski ion, zbroj oksidacijskih stanja atoma mora biti jednak ukupnom ionskom naboju.
   • Vrlo je korisno znati koristiti periodni sustav i znati gdje se u njemu nalaze metalni i nemetalni elementi.
   • Oksidacijsko stanje atoma u elementarnom obliku uvijek je nula. Oksidacijsko stanje jednog iona jednako je njegovom naboju. Elementi skupine 1A periodnog sustava, poput vodika, litija, natrija, u svom elementarnom obliku imaju oksidacijski stupanj +1; Metali skupine 2A kao što su magnezij i kalcij imaju oksidacijsko stanje +2 u svom elementarnom obliku. Kisik i vodik, ovisno o vrsti kemijske veze, mogu imati 2 različita oksidacijska stanja.

Formalni naboj atoma u spojevima je pomoćna veličina; obično se koristi u opisima svojstava elemenata u kemiji. Ovaj konvencionalni električni naboj je oksidacijsko stanje. Njegova se vrijednost mijenja kao rezultat mnogih kemijskih procesa. Iako je naboj formalan, on jasno karakterizira svojstva i ponašanje atoma u redoks reakcijama (ORR).

Oksidacija i redukcija

U prošlosti su kemičari koristili izraz "oksidacija" za opisivanje interakcije kisika s drugim elementima. Naziv reakcija dolazi od latinskog naziva za kisik - Oxygenium. Kasnije se pokazalo da i drugi elementi oksidiraju. U ovom slučaju, oni se smanjuju - dobivaju elektrone. Svaki atom pri formiranju molekule mijenja strukturu svoje valentne elektronske ljuske. U tom se slučaju pojavljuje formalni naboj, čija veličina ovisi o broju konvencionalno danih ili prihvaćenih elektrona. Za karakterizaciju ove vrijednosti ranije je korišten engleski kemijski izraz "oxidation number", što u prijevodu znači "oksidacijski broj". Kada se koristi, temelji se na pretpostavci da vezni elektroni u molekulama ili ionima pripadaju atomu s višom vrijednošću elektronegativnosti (EO). Sposobnost zadržavanja svojih elektrona i privlačenja od drugih atoma dobro je izražena kod jakih nemetala (halogeni, kisik). Jaki metali (natrij, kalij, litij, kalcij, drugi alkalijski i zemnoalkalijski elementi) imaju suprotna svojstva.

Određivanje oksidacijskog stanja

Oksidacijsko stanje je naboj koji bi atom dobio kada bi elektroni koji sudjeluju u stvaranju veze bili potpuno pomaknuti na elektronegativniji element. Postoje tvari koje nemaju molekularnu strukturu (halogenidi alkalijskih metala i drugi spojevi). U tim se slučajevima oksidacijsko stanje podudara s nabojem iona. Konvencionalni ili stvarni naboj pokazuje koji se proces dogodio prije nego što su atomi stekli svoje trenutno stanje. Pozitivni oksidacijski broj je ukupan broj elektrona koji su uklonjeni iz atoma. Negativan oksidacijski broj jednak je broju dobivenih elektrona. Promjenom oksidacijskog stanja kemijskog elementa prosuđuje se što se događa s njegovim atomima tijekom reakcije (i obrnuto). Boja tvari određuje koje su se promjene dogodile u oksidacijskom stanju. Spojevi kroma, željeza i niza drugih elemenata, u kojima oni pokazuju različite valencije, različito su obojeni.

Negativne, nulte i pozitivne vrijednosti oksidacijskog stanja

Jednostavne tvari tvore kemijski elementi s istom vrijednošću EO. U tom slučaju vezni elektroni pripadaju svim strukturnim česticama jednako. Posljedično, u jednostavnim tvarima elementi nisu karakterizirani oksidacijskim stanjem (H 0 2, O 0 2, C 0). Kada atomi prihvate elektrone ili se opći oblak pomakne u njihovom smjeru, naboji se obično pišu s predznakom minus. Na primjer, F -1, O -2, C -4. Doniranjem elektrona atomi dobivaju stvarni ili formalni pozitivni naboj. U OF2 oksidu, atom kisika predaje po jedan elektron na dva atoma fluora i nalazi se u O +2 oksidacijskom stanju. U molekuli ili višeatomnom ionu, kaže se da elektronegativniji atomi primaju sve elektrone za vezivanje.

Sumpor je element koji pokazuje različita valentna i oksidacijska stanja

Kemijski elementi glavnih podskupina često pokazuju nižu valenciju jednaku VIII. Na primjer, valencija sumpora u vodikovom sulfidu i metalnim sulfidima je II. Element karakterizira srednja i najveća valencija u pobuđenom stanju, kada atom otpušta jedan, dva, četiri ili svih šest elektrona i pokazuje valencije I, II, IV, VI. Iste vrijednosti, samo s predznakom minus ili plus, imaju oksidacijska stanja sumpora:

• u fluor sulfid donira jedan elektron: -1;
• u sumporovodiku najmanja vrijednost: -2;
• u srednjem stanju dioksida: +4;
• u trioksidu, sumpornoj kiselini i sulfatima: +6.

U svom najvišem oksidacijskom stanju sumpor prihvaća samo elektrone; u nižem stanju pokazuje jaka redukcijska svojstva. S+4 atomi mogu djelovati kao redukcijski agensi ili oksidacijski agensi u spojevima, ovisno o uvjetima.

Prijenos elektrona u kemijskim reakcijama

Kada se formira kristal natrijevog klorida, natrij predaje elektrone elektronegativnijem kloru. Oksidacijski stupnjevi elemenata podudaraju se s nabojima iona: Na +1 Cl -1. Za molekule stvorene dijeljenjem i premještanjem elektronskih parova na elektronegativniji atom, primjenjiv je samo koncept formalnog naboja. Ali možemo pretpostaviti da se svi spojevi sastoje od iona. Tada atomi privlačeći elektrone dobivaju uvjetno negativan naboj, a odajući ih pozitivan. U reakcijama pokazuju koliko je elektrona istisnuto. Na primjer, u molekuli ugljičnog dioksida C +4 O - 2 2, indeks naveden u gornjem desnom kutu kemijskog simbola za ugljik odražava broj elektrona uklonjenih iz atoma. Kisik u ovoj tvari karakterizira oksidacijsko stanje -2. Odgovarajući indeks za kemijski znak O je broj dodanih elektrona u atomu.

Kako izračunati oksidacijska stanja

Brojanje broja doniranih elektrona i dobivenih od strane atoma može biti dugotrajan. Sljedeća pravila olakšavaju ovaj zadatak:

1. U jednostavnim tvarima oksidacijska su stanja nula.
2. Zbroj oksidacije svih atoma ili iona u neutralnoj tvari jednak je nuli.
3. U složenom ionu zbroj oksidacijskih stanja svih elemenata mora odgovarati naboju cijele čestice.
4. Elektronegativniji atom dobiva negativno oksidacijsko stanje, koje se piše s predznakom minus.
5. Manje elektronegativni elementi dobivaju pozitivna oksidacijska stanja i pišu se sa znakom plus.
6. Kisik općenito ima oksidacijski stupanj -2.
7. Za vodik je karakteristična vrijednost: +1, u hidridima metala nalazi se: H-1.
8. Fluor je najelektronegativniji od svih elemenata, a njegovo oksidacijsko stanje je uvijek -4.
9. Za većinu metala oksidacijski brojevi i valencije su isti.

Oksidacijsko stanje i valencija

Većina spojeva nastaje kao rezultat redoks procesa. Prijelaz ili premještanje elektrona s jednog elementa na drugi dovodi do promjene njihovog oksidacijskog stanja i valencije. Često se te vrijednosti podudaraju. Izraz "elektrokemijska valencija" može se koristiti kao sinonim za pojam "oksidacijsko stanje". Ali postoje iznimke, na primjer, u amonijevom ionu, dušik je četverovalentan. U isto vrijeme, atom ovog elementa je u -3 oksidacijskom stanju. U organskim tvarima ugljik je uvijek četverovalentan, ali oksidacijska stanja C atoma u metanu CH 4, mravljem alkoholu CH 3 OH i kiselini HCOOH imaju različite vrijednosti: -4, -2 i +2.

Redoks reakcije

Redoks procesi uključuju mnoge najvažnije procese u industriji, tehnologiji, živoj i neživoj prirodi: izgaranje, koroziju, fermentaciju, unutarstanično disanje, fotosintezu i druge pojave.

Prilikom sastavljanja OVR jednadžbi, koeficijenti se odabiru pomoću metode elektronske bilance, koja radi sa sljedećim kategorijama:

• oksidacijska stanja;
• redukcijsko sredstvo odustaje od elektrona i oksidira se;
• oksidacijsko sredstvo prihvaća elektrone i reducira se;
• broj predanih elektrona mora biti jednak broju dodanih elektrona.

Stjecanje elektrona od strane atoma dovodi do smanjenja njegovog oksidacijskog stanja (redukcije). Gubitak jednog ili više elektrona od strane atoma popraćen je povećanjem oksidacijskog broja elementa kao rezultat reakcija. Za redoks reakcije koje se odvijaju između iona jakih elektrolita u vodenim otopinama često se koristi metoda polureakcija umjesto elektroničke ravnoteže.

Teme kodifikatora jedinstvenog državnog ispita: Elektronegativnost. Oksidacijsko stanje i valencija kemijskih elemenata.

Kada atomi međusobno djeluju i nastaju, elektroni između njih su u većini slučajeva neravnomjerno raspoređeni, budući da se svojstva atoma razlikuju. Više elektronegativan atom jače privlači k sebi gustoću elektrona. Atom koji je privukao elektronsku gustoću na sebe dobiva djelomični negativni naboj δ — , njegov "partner" je djelomični pozitivni naboj δ+ . Ako razlika u elektronegativnosti atoma koji tvore vezu ne prelazi 1,7, vezu nazivamo kovalentni polarni . Ako razlika u elektronegativnostima koje tvore kemijsku vezu prelazi 1,7, tada takvu vezu nazivamo ionski .

Oksidacijsko stanje je pomoćni uvjetni naboj atoma elementa u spoju, izračunat pod pretpostavkom da se svi spojevi sastoje od iona (sve su polarne veze ionske).

Što znači "uvjetna naplata"? Jednostavno se slažemo da ćemo malo pojednostaviti stvari: smatrat ćemo sve polarne veze potpuno ionskim i pretpostavit ćemo da elektron potpuno odlazi ili dolazi iz jednog atoma u drugi, čak i ako to zapravo nije slučaj. I uvjetno elektron odlazi od manje elektronegativnog atoma do više elektronegativnog.

Na primjer, u H-Cl vezi smatramo da je vodik uvjetno “prepustio” elektron, te mu je naboj postao +1, a klor je “prihvatio” elektron, te mu je naboj postao -1. Zapravo, ne postoje takvi ukupni naboji na tim atomima.

Sigurno imate pitanje - zašto izmišljati nešto što ne postoji? Ovo nije podmukli plan kemičara, sve je jednostavno: ovaj model je vrlo zgodan. Ideje o oksidacijskom stanju elemenata korisne su pri sastavljanju klasifikacije kemijske tvari, opis njihovih svojstava, sastavljanje formula spojeva i nomenklatura. Osobito se često koriste oksidacijska stanja pri radu s redoks reakcije.

Postoje oksidacijska stanja viši, inferioran I srednji.

viši stupanj oksidacije jednak je broju skupine s predznakom plus.

Najniža je definiran kao broj grupe minus 8.

I srednji Oksidacijski broj je gotovo svaki cijeli broj u rasponu od najnižeg do najvišeg oksidacijskog stanja.

Na primjer, dušik karakteriziraju: najviše oksidacijsko stanje +5, najniže 5 - 8 = -3, a srednja oksidacijska stanja od -3 do +5. Na primjer, u hidrazinu N 2 H 4 oksidacijsko stanje dušika je srednje, -2.

Najčešće se oksidacijsko stanje atoma u složenim tvarima označava prvo znakom, zatim brojem, npr. +1, +2, -2 itd. Kada govorimo o naboju iona (pod pretpostavkom da ion stvarno postoji u spoju), tada prvo navedite broj, a zatim znak. Na primjer: Ca 2+, CO 3 2-.

Da biste pronašli oksidacijska stanja, upotrijebite sljedeće pravila :

1. Oksidacijsko stanje atoma u jednostavne tvari jednak nuli;
2. U neutralne molekule algebarski zbroj oksidacijskih stanja je nula, za ione je taj zbroj jednak naboju iona;
3. Oksidacijsko stanje alkalijski metali (elementi I. skupine glavne podskupine) u spojevima je +1, oksidacijsko stanje zemnoalkalijski metali (elementi skupine II glavne podskupine) u spojevima je +2; oksidacijsko stanje aluminij u vezama je jednak +3;
4. Oksidacijsko stanje vodik u spojevima s metalima (- NaH, CaH 2 itd.) jednak je -1 ; u spojevima s nemetalima () +1 ;
5. Oksidacijsko stanje kisik jednak -2 . Iznimkašminka peroksidi– spojevi koji sadrže skupinu –O-O-, gdje je oksidacijsko stanje kisika jednako -1 , i neki drugi spojevi ( superoksidi, ozonidi, kisikovi fluoridi OF 2 i tako dalje.);
6. Oksidacijsko stanje fluorid u svim složenim tvarima je jednak -1 .

Gore su navedene situacije kada razmatramo oksidacijsko stanje konstantno . Svi ostali kemijski elementi imaju oksidacijsko stanje — varijabla, a ovisi o redoslijedu i vrsti atoma u spoju.

Primjeri:

Vježbajte: odrediti oksidacijska stanja elemenata u molekuli kalijevog dikromata: K 2 Cr 2 O 7 .

Riješenje: Oksidacijsko stanje kalija je +1, oksidacijsko stanje kroma označava se kao x, oksidacijsko stanje kisika je -2. Zbroj svih oksidacijskih stanja svih atoma u molekuli jednak je 0. Dobivamo jednadžbu: +1*2+2*x-2*7=0. Rješavajući ga, dobivamo oksidacijsko stanje kroma +6.

U binarnim spojevima elektronegativniji element ima negativno oksidacijsko stanje, a manje elektronegativni element ima pozitivno oksidacijsko stanje.

imajte na umu da Koncept oksidacijskog stanja vrlo je proizvoljan! Oksidacijski broj ne označava pravi naboj atoma i nema pravo fizičko značenje. Ovo je pojednostavljeni model koji učinkovito funkcionira kada trebamo, primjerice, izjednačiti koeficijente u jednadžbi kemijske reakcije ili algoritmizirati klasifikaciju tvari.

Oksidacijski broj nije valencija! Oksidacijsko stanje i valencija se u mnogim slučajevima ne podudaraju. Na primjer, valencija vodika u jednostavnoj tvari H2 jednaka je I, a oksidacijsko stanje, prema pravilu 1, jednako je 0.

Ovo su osnovna pravila koja će vam u većini slučajeva pomoći da odredite oksidacijsko stanje atoma u spojevima.

U nekim situacijama možete imati poteškoća s određivanjem oksidacijskog stanja atoma. Pogledajmo neke od ovih situacija i pogledajmo kako ih riješiti:

1. U dvostrukim (sličnim soli) oksidima, stupanj atoma je obično dva oksidacijska stanja. Na primjer, u željeznoj skali Fe 3 O 4, željezo ima dva oksidacijska stanja: +2 i +3. Koju trebam navesti? Oba. Da pojednostavimo, ovaj spoj možemo zamisliti kao sol: Fe(FeO 2) 2. U ovom slučaju, kiseli ostatak tvori atom sa stupnjem oksidacije +3. Ili se dvostruki oksid može predstaviti na sljedeći način: FeO*Fe 2 O 3.
2. U perokso spojevima se u pravilu mijenja stanje oksidacije atoma kisika povezanih kovalentnim nepolarnim vezama. Na primjer, u vodikovom peroksidu H 2 O 2 i peroksidima alkalnih metala, oksidacijsko stanje kisika je -1, jer jedna od veza je kovalentna nepolarna (H-O-O-H). Drugi primjer je peroksomonosumporna kiselina (karo kiselina) H 2 SO 5 (vidi sliku) sadrži dva atoma kisika s oksidacijskim stanjem -1, preostale atome s oksidacijskim stanjem -2, pa će sljedeći unos biti razumljiviji: H 2 SO 3 (O2). Poznati su i perokso spojevi kroma - na primjer, krom (VI) peroksid CrO(O 2) 2 ili CrO 5, i mnogi drugi.
3. Još jedan primjer spojeva s dvosmislenim oksidacijskim stanjima su superoksidi (NaO 2) i ozonidi slični soli KO 3. U ovom slučaju prikladnije je govoriti o molekularnom ionu O 2 s nabojem -1 i O 3 s nabojem -1. Struktura takvih čestica opisana je nekim modelima koji se poučavaju u ruskom nastavnom planu i programu na prvim godinama kemijskih sveučilišta: MO LCAO, metoda superponiranja valentnih shema itd.
4. U organskim spojevima, koncept oksidacijskog stanja nije baš prikladan za korištenje, jer Između atoma ugljika postoji veliki broj kovalentnih nepolarnih veza. Međutim, ako nacrtate strukturnu formulu molekule, oksidacijsko stanje svakog atoma također se može odrediti prema vrsti i broju atoma na koje je taj atom izravno vezan. Na primjer, oksidacijsko stanje primarnih ugljikovih atoma u ugljikovodicima je -3, sekundarnih atoma -2, tercijarnih atoma -1, a kvarternih atoma - 0.

Vježbajmo određivanje oksidacijskog stanja atoma u organskim spojevima. Za to je potrebno nacrtati cjelovitu strukturnu formulu atoma i istaknuti atom ugljika s njegovim najbližim okruženjem – atomima s kojima je izravno povezan.

• Da biste pojednostavili izračune, možete koristiti tablicu topljivosti - ona prikazuje naboje najčešćih iona. U većini ruskih ispita iz kemije (USE, GIA, DVI) dopuštena je uporaba tablice topljivosti. Ovo je gotova varalica, koja u mnogim slučajevima može značajno uštedjeti vrijeme.
• Kod izračunavanja oksidacijskog stanja elemenata u složenim tvarima najprije označavamo oksidacijska stanja elemenata koje pouzdano poznajemo (elementi s konstantnim oksidacijskim stanjem), a oksidacijsko stanje elemenata s promjenljivim oksidacijskim stanjem označavamo s x. Zbroj svih naboja svih čestica je nula u molekuli ili jednak naboju iona u ionu. Iz tih podataka lako je izraditi i riješiti jednadžbu.

Elektronegativnost se, kao i druga svojstva atoma kemijskih elemenata, periodički mijenja s povećanjem atomskog broja elementa:

Gornji grafikon prikazuje periodičnost promjena elektronegativnosti elemenata glavnih podskupina ovisno o atomskom broju elementa.

Pomicanjem niz podskupinu periodnog sustava elektronegativnost kemijskih elemenata opada, a pomicanjem udesno uz periodu raste.

Elektronegativnost odražava nemetalnost elemenata: što je veća vrijednost elektronegativnosti, element ima više nemetalnih svojstava.

Oksidacijsko stanje

Kako izračunati oksidacijsko stanje elementa u spoju?

1) Oksidacijsko stanje kemijskih elemenata u jednostavnim tvarima uvijek je nula.

2) Postoje elementi koji pokazuju konstantno stanje oksidacije u složenim tvarima:

3) Postoje kemijski elementi koji pokazuju konstantno oksidacijsko stanje u velikoj većini spojeva. Ovi elementi uključuju:

4) Algebarski zbroj oksidacijskih stanja svih atoma u molekuli uvijek je nula. Algebarski zbroj oksidacijskih stanja svih atoma u ionu jednak je naboju iona.

5) Najviši (maksimalni) stupanj oksidacije jednak je broju skupine. Iznimke koje ne potpadaju pod ovo pravilo su elementi sekundarne podskupine I. skupine, elementi sekundarne podskupine VIII. skupine, kao i kisik i fluor.

Kemijski elementi čiji se broj skupine ne poklapa s njihovim najvišim oksidacijskim stanjem (obavezno zapamtiti)

6) Najniže oksidacijsko stanje metala uvijek je nula, a najniže oksidacijsko stanje nemetala izračunava se po formuli:

najniže oksidacijsko stanje nemetala = broj skupine − 8

Na temelju gore navedenih pravila možete utvrditi oksidacijsko stanje kemijskog elementa u bilo kojoj tvari.

Određivanje oksidacijskih stanja elemenata u različitim spojevima

Primjer 1

Odrediti oksidacijska stanja svih elemenata u sumpornoj kiselini.

Riješenje:

Napišimo formulu sumporne kiseline:

Oksidacijsko stanje vodika u svim složenim tvarima je +1 (osim metalnih hidrida).

Oksidacijsko stanje kisika u svim složenim tvarima je -2 (osim peroksida i kisikovog fluorida OF 2). Posložimo poznata oksidacijska stanja:

Označimo oksidacijsko stanje sumpora kao x:

Molekula sumporne kiseline, kao i molekula bilo koje tvari, općenito je električki neutralna, jer zbroj oksidacijskih stanja svih atoma u molekuli je nula. Shematski se to može prikazati na sljedeći način:

Oni. dobili smo sljedeću jednačinu:

Riješimo to:

Dakle, oksidacijsko stanje sumpora u sumpornoj kiselini je +6.

Primjer 2

Odredite oksidacijsko stanje svih elemenata u amonijevom dikromatu.

Riješenje:

Napišimo formulu amonijevog dikromata:

Kao iu prethodnom slučaju, možemo poredati oksidacijska stanja vodika i kisika:

Međutim, vidimo da su oksidacijska stanja dvaju kemijskih elemenata odjednom nepoznata - dušika i kroma. Dakle, ne možemo naći oksidacijska stanja slično kao u prethodnom primjeru (jedna jednadžba s dvije varijable nema jedno rješenje).

Skrećemo pozornost na činjenicu da ova tvar pripada klasi soli i, prema tome, ima ionsku strukturu. Tada s pravom možemo reći da sastav amonijevog dikromata uključuje katione NH 4 + (naboj ovog kationa može se vidjeti u tablici topljivosti). Posljedično, budući da jedinica formule amonijevog dikromata sadrži dva pozitivna jednostruko nabijena kationa NH 4 +, naboj dikromatnog iona jednak je -2, budući da je tvar kao cjelina električki neutralna. Oni. tvar tvore kationi NH 4 + i anioni Cr 2 O 7 2-.

Poznajemo oksidacijska stanja vodika i kisika. Znajući da je zbroj oksidacijskih stanja atoma svih elemenata u ionu jednak naboju, a označavajući oksidacijska stanja dušika i kroma kao x I g prema tome, možemo napisati:

Oni. dobivamo dvije neovisne jednadžbe:

Rješavajući koje, nalazimo x I g:

Dakle, u amonijevom dikromatu oksidacijska stanja dušika su -3, vodika +1, kroma +6 i kisika -2.

Možete pročitati kako odrediti oksidacijska stanja elemenata u organskim tvarima.

Valencija

Valencija atoma označava se rimskim brojevima: I, II, III itd.

Valentne sposobnosti atoma ovise o količini:

1) nespareni elektroni

2) usamljeni elektronski parovi u orbitalama valentnih razina

3) prazne elektronske orbitale valentne razine

Valentne mogućnosti atoma vodika

Prikažimo elektronsku grafičku formulu atoma vodika:

Rečeno je da tri faktora mogu utjecati na mogućnosti valencije - prisutnost nesparenih elektrona, prisutnost usamljenih elektronskih parova na vanjskoj razini i prisutnost praznih (praznih) orbitala na vanjskoj razini. Vidimo jedan nespareni elektron na vanjskoj (i jedinoj) energetskoj razini. Na temelju toga, vodik definitivno može imati valenciju I. Međutim, u prvoj energetskoj razini postoji samo jedna podrazina - s, oni. Atom vodika na vanjskoj razini nema niti usamljene elektronske parove niti prazne orbitale.

Dakle, jedina valencija koju vodikov atom može pokazati je I.

Valentne mogućnosti ugljikovog atoma

Razmotrimo elektronsku strukturu ugljikovog atoma. U osnovnom stanju elektronička konfiguracija njegove vanjske razine je sljedeća:

Oni. u osnovnom stanju na vanjskoj energetskoj razini nepobuđenog ugljikovog atoma nalaze se 2 nesparena elektrona. U tom stanju može pokazivati ​​valenciju II. Međutim, atom ugljika vrlo lako prelazi u pobuđeno stanje kada mu se dodijeli energija, a elektronička konfiguracija vanjskog sloja u ovom slučaju ima oblik:

Unatoč činjenici da se određena količina energije troši na proces ekscitacije ugljikovog atoma, trošak se više nego nadoknađuje stvaranjem četiri kovalentne veze. Zbog toga je valencija IV mnogo karakterističnija za ugljikov atom. Na primjer, ugljik ima valenciju IV u molekulama ugljičnog dioksida, ugljične kiseline i apsolutno svih organskih tvari.

Uz nesparene elektrone i usamljene elektronske parove, prisutnost slobodnih ()valentnih orbitala također utječe na valentne mogućnosti. Prisutnost takvih orbitala na ispunjenoj razini dovodi do činjenice da atom može djelovati kao akceptor elektronskog para, tj. tvore dodatne kovalentne veze kroz donor-akceptorski mehanizam. Na primjer, suprotno očekivanjima, u molekuli ugljičnog monoksida CO veza nije dvostruka, već trostruka, kao što je jasno prikazano na sljedećoj ilustraciji:

Valentne mogućnosti atoma dušika

Napišimo elektroničku grafičku formulu za razinu vanjske energije atoma dušika:

Kao što se može vidjeti iz gornje ilustracije, atom dušika u svom normalnom stanju ima 3 nesparena elektrona, i stoga je logično pretpostaviti da je sposoban pokazati valenciju III. Zaista, valencija od tri opažena je u molekulama amonijaka (NH 3), dušikaste kiseline (HNO 2), dušikovog triklorida (NCl 3) itd.

Gore je rečeno da valencija atoma kemijskog elementa ne ovisi samo o broju nesparenih elektrona, već io prisutnosti usamljenih elektronskih parova. To je zbog činjenice da se kovalentna kemijska veza može formirati ne samo kada dva atoma međusobno opskrbljuju jedan elektron, već i kada ga jedan atom s usamljenim parom elektrona - donor () daje drugom atomu s praznim ( ) orbitalna valentna razina (akceptor). Oni. Za atom dušika moguća je i valencija IV zbog dodatne kovalentne veze nastale mehanizmom donor-akceptor. Na primjer, četiri kovalentne veze, od kojih je jedna formirana mehanizmom donor-akceptor, opažene su tijekom stvaranja amonijevog kationa:

Unatoč činjenici da je jedna od kovalentnih veza formirana prema donor-akceptorskom mehanizmu, sve N-H veze u amonijevom kationu su apsolutno identične i ne razlikuju se jedna od druge.

Atom dušika nije sposoban pokazati valenciju jednaku V. To je zbog činjenice da je nemoguće da atom dušika prijeđe u pobuđeno stanje, u kojem su dva elektrona uparena s prijelazom jednog od njih na slobodnu orbitalu koja je najbliža energetskoj razini. Atom dušika nema br d-podrazine, a prijelaz na 3s orbitalu je energetski toliko skup da se troškovi energije ne pokrivaju stvaranjem novih veza. Mnogi se mogu pitati koja je valencija dušika, na primjer, u molekulama dušične kiseline HNO 3 ili dušikovog oksida N 2 O 5? Čudno je da je tamo valencija također IV, kao što se može vidjeti iz sljedećih strukturnih formula:

Točkasta linija na ilustraciji prikazuje tzv delokalizirano π - veza. Iz tog razloga, terminalne NO veze se mogu nazvati "jedna i pol veza". Slične jedno-i-pol veze prisutne su i u molekuli ozona O 3, benzena C 6 H 6 itd.

Valentne mogućnosti fosfora

Oslikajmo elektroničku grafičku formulu vanjske energetske razine atoma fosfora:

Kao što vidimo, struktura vanjskog sloja atoma fosfora u osnovnom stanju i atoma dušika je ista, te je stoga logično očekivati ​​za atom fosfora, kao i za atom dušika, moguće valencije jednake I, II, III i IV, prema praksi.

Međutim, za razliku od dušika, atom fosfora također ima d-podrazina sa 5 slobodnih orbitala.

U tom smislu, sposoban je prijeći u pobuđeno stanje, pareći elektrone 3 s-orbitale:

Dakle, moguća je valencija V za atom fosfora, koji je nedostupan dušiku. Na primjer, atom fosfora ima valenciju pet u molekulama spojeva kao što su fosforna kiselina, fosfor (V) halidi, fosfor (V) oksid itd.

Valentne mogućnosti atoma kisika

Elektronska grafička formula za razinu vanjske energije atoma kisika ima oblik:

Vidimo dva nesparena elektrona na 2. razini, pa je stoga moguća valencija II za kisik. Treba napomenuti da se ova valencija atoma kisika opaža u gotovo svim spojevima. Gore, kada smo razmatrali sposobnosti valencije atoma ugljika, raspravljali smo o formiranju molekule ugljikovog monoksida. Veza u molekuli CO je trostruka, dakle, kisik je trovalentan (kisik je donor elektronskog para).

Zbog činjenice da atom kisika nema vanjsku d-podrazina, sparivanje elektrona s I p- orbitale je nemoguće, zbog čega su valentne sposobnosti atoma kisika ograničene u usporedbi s drugim elementima njegove podskupine, na primjer, sumpora.

Valentne mogućnosti atoma sumpora

Vanjska energetska razina atoma sumpora u nepobuđenom stanju:

Atom sumpora, kao i atom kisika, normalno ima dva nesparena elektrona, pa možemo zaključiti da je za sumpor moguća valencija od dva. Doista, sumpor ima valenciju II, na primjer, u molekuli sumporovodika H 2 S.

Kao što vidimo, atom sumpora pojavljuje se na vanjskoj razini d-podrazina s praznim orbitalama. Iz tog razloga atom sumpora može proširiti svoje sposobnosti valencije, za razliku od kisika, zbog prijelaza u pobuđena stanja. Dakle, kod uparivanja usamljenog elektronskog para 3 str- podrazine, atom sumpora dobiva elektroničku konfiguraciju vanjske razine sljedećeg oblika:

U tom stanju atom sumpora ima 4 nesparena elektrona, što nam govori da atomi sumpora mogu pokazivati ​​valenciju IV. Doista, sumpor ima valenciju IV u molekulama SO 2, SF 4, SOCl 2 itd.

Prilikom uparivanja drugog usamljenog elektronskog para koji se nalazi na 3 s-podrazina, vanjska energetska razina dobiva konfiguraciju:

U tom stanju postaje moguća manifestacija valencije VI. Primjeri spojeva s VI-valentnim sumporom su SO 3, H 2 SO 4, SO 2 Cl 2 itd.

Slično, možemo razmotriti mogućnosti valencije drugih kemijskih elemenata.