Валентность и степень окисления: а пригодится ли мне это на ЕГЭ?

Что такое валентность и степень окисления?

Валентность – это количество связей, которые образует атом в той или иной молекуле.

Для образования химической связи необходимо два электрона: один электрон от одного атома, второй – от другого. Таким образом, валентность зависит от количества неспаренных электронов на внешнем уровне.

У водорода один неспаренный электрон => валентность = I

У кислорода два неспаренных электрона => валентность = II

Многие атомы способны переходить в возбужденное состояние (электроны «распариваются» и переходят на более высокие орбитали => неспаренных электронов становится больше).
Соответственно, один и тот же атом может проявлять разную (переменную) валентность, в зависимости от состояния:
Рассмотрим на примере хлора:

Под буквой А представлено основное хлора. На внешнем уровне один неспаренный электрон => валентность = I.
Под буквами Б, В и Г возбужденные состояния. Валентность = количеству неспаренных электронов.
Таким образом, хлор может проявлять следующие валентности: I, III, V, VII, в зависимости от соединения.

Зная валентность, можно построить структурную формулу соединения:

Постоянная валентность:

Н	I
F	I
O	II (исключения: CO – II и  O3 – I/II/III)
Металлы IA группы	I
Металлы IIA группы	II
Al	III

Запомните: в органических соединениях валентность углерода всегда = IV!

Степень окисления

Степень окисления — это условный заряд, который приобретает атом в том или ином соединении.

В отличие от валентности, степень окисления показывает не количество связей, а число электронов перемещающихся в результате образования связи.

Запомни следующие правила:

1. Сумма степеней окисления в химическом соединении всегда = 0.
2. Степень окисления атома в простом веществе всегда = 0.
3. У металла не может быть отрицательной степени окисления.

Алгоритм определения степеней окисления в соединении с известной молекулярной формулой.

1. расставить СО известных элементов;
2. умножить их на индексы этих элементов, сложить получившиеся значения;
3. поменять знак у получившегося числа;
4. разделить полученный результат на индекс элемента с неизвестной СО.

Пример 1

• Мы знаем степень окисления кислорода (-2);

• умножаем степень СО на его индекс: −2 * 3 = −6;
• меняем знак, получаем +6;
• делим 6 на индекс серы: +6 : 1 = +6. Степень СО = +6.

Пример 2

• Мы знаем степени окисления натрия и кислорода:

• умножаем СО на индексы. Для натрия: +1 * 2 = +2. Для кислорода: −2 * 3 = −6. Складываем получившиеся значения: +2 + (-6) = −4;
• меняем знак, получаем +4;
• делим получившееся число на индекс кремния: +4 : 1 = +4.

Пример 3

• Мы знаем степени окисления калия и кислорода:

• умножаем известные СО на соответствующие индексы. Для калия: +1 * 2 = +2; для кислорода: −2 * 7 = −14. Складываем полученные значения: +2 + (-14) = −12;
• меняем знак, получаем +12;
• делим +12 на 2 (индекс хрома), получаем 6.

Практическое применение в задачах ЕГЭ

Задание № 3
Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, низшая степень окисления которых равна –2.

1) H  2) Br   3) P 4) O  5) S

Решение:

1. У водорода постоянная СО — +1 (в исключительных случаях может быть −1);
2. Бом находится в 7 группе => низшая СО = 8 — 7 = −1;
3. Фосфор находится в 5 группе => низшая СО = 8 — 5 = −3;
4. У кислорода постоянная СО = −2 (все исключения имеют значение больше −2);
5. Сера расположена в 6 группе => низшая СО = 6 — 8 = −2.

Ответ: 45

В этом задании сначала необходимо определить степени окисления всех атомов азота. А затем соотнести изменение степени окисления со свойством:

• повышение СО => является восстановителем,
• понижение СО => является окислителем,
• и повышение, и понижение СО => и окислитель, и восстановитель,
• нет изменений СО => ни окислитель, ни восстановитель.

А) −3 → −3 => не проявляет окислительно-восстановительных свойств,
Б) −3 → 0 => является восстановителем,
В) −3 → +2 => является восстановителем.

Ответ: 422

Какие ошибки часто допускают ученики? Как их избежать?

1. Ребята забывают постоянные степени окисления и начинают их рассчитывать. Важно выучить наизусть элементы с постоянными СО. Это основа для определения условных зарядов в сложных соединениях. Составьте себе таблицу или карточки для запоминания.
2. Считают, что кислород всегда имеет степень окисления −2, а водород +1.
   Помните об исключениях:

• В пероксидах (H₂O₂, Na₂O₂) степень окисления кислорода −1.
• Во фторидах кислорода (OF₂, O₂F₂) кислород имеет положительную СО.
• В гидридах металлов (NaH, CaH₂) водород имеет степень окисления −1.

3. Ученики не учитывают, что сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле должна быть равна нулю, а в ионе – заряду иона.

Всегда проверяйте себя! Составив формулу, убедитесь, что алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов равна нулю (или заряду иона).

4. Неправильное определение СО центрального атома в сложных ионах, таких как SO₄²⁻, PO₄³⁻, Cr₂O₇²⁻, MnO₄⁻.
Чтобы не ошибиться, уточните СО иона по таблице растворимости и только после этого вычисляйте степень окисления центрального атома.

5. Затруднения с определением условного заряда углерода в органических соединениях из-за большого количества связей с водородом и другими элементами.

Пользуйтесь следующим алгоритмом:

1. Определите все связи вокруг данного атома углерода.
2. Учтите электроотрицательность элементов: Более электроотрицательный элемент получает «виртуальный» вклад в степень окисления −1, а менее электроотрицательный — +1.
3. Считайте вклад каждой связи:

• C-H: водород (+1), углерод (-1)
• C=O: кислород (-2), углерод (+2)
• C☰N: азот (-3), углерод (+3)
• C-Cl: хлор (-1), углерод (+1)
• C-C: вклад 0 (электроотрицательности одинаковы)

Проверь себя

1. Что такое валентность?

а) Заряд аниона;
б) Число ковалентных связей, которые атом образует в молекуле;
в) Условный заряд атома в молекуле;
г) Электроотрицательность элемента.

2. Что такое степень окисления?

а) Число ковалентных связей, которые атом образует в молекуле;
б) Фактический заряд иона в соединении;
в) Условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что все связи ионные;
г) Энергия ионизации атома.

3. В каком из перечисленных соединений кислород имеет степень окисления −1?

а) H₂O;
б) Na₂O;
в) H₂O₂;
г) OF₂.

4. Какова степень окисления серы в ионе SO₄²⁻?

а) +2
б) +4
в) +6
г) +8

5. В каком из перечисленных соединений валентность азота равна III?

а) NH₃
б) NO₂
в) HNO₃

6. Какова степень окисления марганца в перманганате калия (KMnO₄)?

а) +2
б) +4
в) +6
г) +7

7. Какое из следующих утверждений верно?

а) Валентность всегда равна степени окисления;
б) Степень окисления всегда положительна;
в) Валентность всегда выражается целым числом;
г) Степень окисления всегда выражается целым числом.

8. Какова степень окисления центрального атома углерода в третичном бутиловом спирте ((CH₃)₃COH)?

а) −4
б) +3
в) −2
г) +1

9. В каком из перечисленных соединений степень окисления хлора наибольшая?

а) HCl
б) NaClO
в) NaClO₂
г) NaClO₄

10. Какова валентность кислорода в молекуле O₂?

а) 0
б) 1
в) 2
г) 3

Ответы:

1. б
2. в
3. в
4. в
5. а
6. г
7. в
8. г
9. г
10. в

Резюмируем пройденный материал

Валентность и степень окисления — не одно и тоже!

валентность	степень окисления
показывает количество связей атома	показывает сколько электронов перемещается в результате образования связи
определяется числом ковалентных связей, образованных каким-либо атомом	вычисляется из предположения, что что все связи в соединении ионные
положительное целое число	положительная/ отрицательная/ равная нулю
если вещество состоит из двух элементов, суммарные числа единиц валентности а каждого элемента должны быть одинаковыми	сумма степеней окисления в молекуле всегда равна 0, а в ионе — заряду иона

Знание данного раздела необходимо для выполнения задания № 3, а также для составления молекулярных и структурных формул в задачах развернутой части. Кроме того, расстановка СО и анализ их изменения является неотъемлемым шагом при составлении электронного баланса для окислительно-восстановительных реакций в заданиях № 19 и 29.

Часто задаваемые вопросы

Как определить степень окисления элемента в сложном веществе?

Для того, чтобы определить степень окисления элемента сложного вещества, необходимо воспользоваться алгоритмом:

• расставить степени окисления известных элементов;
• умножить степени окисления на индексы этих элементов, сложить получившиеся значения;
• поменять знак у получившегося числа;
• разделить полученный результат на индекс элемента с неизвестной степень окисления.

Существуют ли нюансы в расчете валентности для органических соединений?

Да, в определении валентностей для атомов органических соединений есть важный нюанс.
Необходимо запомнить правило: валентность углерода в органических веществах всегда = 4. Для расчёта валентностей всех остальных атомов используются общие правила.

Чем отличается валентность от степени окисления?

Валентность всегда выражается целым числом и не может быть отрицательной. Отражает число общих электронных пар, которые участвуют в образовании связи.

Степень окисления может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

Как правило, валентность численно равна степени окисления, но это работает не всегда 🙁

• O₂ (кислород) : степень окисления кислорода = 0, валентность = II;
• O₃ (озон) : степень окисления кислорода = 0, валентность = I/II/III;
• H₂O₂ (пероксид водорода) : степень окисления кислорода = −1, валентность = II;
• CO (угарный газ) : степень окисления кислорода = −2, валентность = III.
• HNO₃ (азотная кислота) : степень окисления азота = +5, валентность = IV.

Почему у некоторых элементов переменная валентность?

Как мы уже говорили, валентность определяется количеством неспаренных электронов. Большинство атомов способны переходить в возбужденное состояние, в результате чего, число неспаренных электронов увеличивается. Следовательно, такие атомы проявляют различную (переменную) валентность, в зависимости от того, в каком состоянии находятся в том или ином соединении.