Степень окисления

Правило 1: в простом веществе степень окисления равна нулю. Это верно и для металла (Fe⁰, Na⁰), и для неметалла (O₂⁰, N₂⁰, S⁰), потому что связь там образуют одинаковые атомы и электроны никуда не смещаются. Правило 2: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю, а в сложном ионе — заряду этого иона. Правило 3: у металлов главных подгрупп степень окисления постоянна и равна номеру группы: щелочные металлы +1, щёлочноземельные +2, алюминий +3. Правило 4: водород почти всегда +1, и только в гидридах металлов (NaH, CaH₂) он −1. Правило 5: кислород почти всегда −2, исключения — пероксиды (H₂O₂, Na₂O₂), где он −1, и фторид кислорода OF₂, где он +2. У неметаллов степень окисления переменная, и её как раз и просят вычислить. Проверить себя можно так: высшая положительная степень окисления элемента обычно равна номеру его группы (сера в VI группе — максимум +6), а низшая отрицательная равна «номер группы минус восемь» (сера: 6 − 8 = −2). Если у тебя вышло, что сера имеет степень окисления +8 или −4, значит где-то ошибка в индексах.

Две величины описывают одно и то же — способность атома соединяться с другими, — но описывают по-разному, и путать их нельзя.

Валентность — это число химических связей, которые атом образует. Величина всегда положительная, обозначается римскими цифрами и не может быть нулём у связанного атома. Валентность водорода всегда I, кислорода II, углерода IV.

Степень окисления — это условный заряд, который был бы у атома, если бы все общие электронные пары целиком перешли к более электроотрицательному партнёру. Величина со знаком, обозначается арабскими цифрами со знаком впереди: +2, −3, 0.

Разницу лучше всего видно на примерах, где числа расходятся.

Простое вещество. В молекуле кислорода O₂ два атома связаны двойной связью, значит валентность каждого II. А степень окисления 0, потому что атомы одинаковы и электронная пара никуда не смещена.

Пероксид водорода H₂O₂. Строение H—O—O—H: каждый кислород образует две связи, валентность II. А степень окисления кислорода здесь −1, а не привычные −2, потому что одна из двух его связей — с таким же кислородом, и электроны в ней не смещаются.

Азот в азотной кислоте HNO₃. Степень окисления азота +5, а валентность всего IV: пятую связь азот образовать не может, у него на внешнем слое нет столько неспаренных возможностей. Это самый известный случай расхождения.

Когда числа совпадают. В подавляющем большинстве школьных соединений валентность по модулю равна степени окисления: в H₂O кислород двухвалентен и имеет степень окисления −2; в CH₄ углерод четырёхвалентен и имеет −4. Именно поэтому их так легко спутать.

Что где спрашивают. Валентность нужна, чтобы составить формулу вещества: зная, что алюминий трёхвалентен, а кислород двухвалентен, получаем Al₂O₃. Степень окисления нужна, чтобы разобраться в окислительно-восстановительной реакции: посчитать, кто отдал электроны, а кто принял.

И последнее, о записи. Степень окисления пишут над символом элемента, знак впереди числа: N⁺⁵. Заряд иона пишут справа вверху и знак после числа: NO₃⁻, Cu²⁺. Эксперт эти записи различает, и в критериях задания 23 перепутанная запись названа отдельной ошибкой.

Крайние значения степени окисления не запоминают поэлементно — их читают прямо с Периодической системы.

Высшая степень окисления равна номеру группы (для главных подгрупп). У натрия +1, у магния +2, у алюминия +3, у углерода и кремния +4, у азота и фосфора +5, у серы +6, у хлора +7.

Смысл прост: высшая степень окисления — это состояние, в котором атом отдал все внешние электроны, а их у элемента главной подгруппы столько, каков номер группы.

Низшая степень окисления неметалла равна номеру группы минус восемь. У углерода −4, у азота −3, у кислорода −2, у фтора −1, у серы −2, у хлора −1. Смысл столь же прост: это состояние, в котором атом достроил внешний слой до восьми, приняв недостающие электроны.

Низшая степень окисления металла — ноль, то есть металл в свободном виде: отрицательных степеней окисления металлы в школьном курсе не проявляют.

Из этих двух правил сразу следуют формулы, которые часто спрашивают.

Формула высшего оксида читается по номеру группы: I — Э₂O, II — ЭO, III — Э₂O₃, IV — ЭO₂, V — Э₂O₅, VI — ЭO₃, VII — Э₂O₇. Никакой отдельной таблицы для этого не нужно: нужно лишь уравнять заряды между элементом в высшей степени окисления и кислородом −2.

Формула летучего водородного соединения читается для неметаллов IV–VII групп: IV — ЭH₄ (метан CH₄, силан SiH₄), V — ЭH₃ (аммиак NH₃, фосфин PH₃), VI — H₂Э (вода H₂O, сероводород H₂S), VII — HЭ (хлороводород HCl, фтороводород HF).

Несколько исключений, которые надо знать отдельно.

• • Фтор — самый электроотрицательный элемент, и положительных степеней окисления у него не бывает вовсе: только −1 и 0.
• • Кислород почти всегда −2, но в пероксидах −1 (H₂O₂, Na₂O₂), а во фториде кислорода даже +2.
• • Водород почти всегда +1, но в гидридах металлов (NaH, CaH₂) он −1, потому что металл ещё менее электроотрицателен.
• • У меди встречаются +1 и +2, у железа +2 и +3, у марганца +2, +4, +6 и +7, у хрома +2, +3 и +6.

Эти переменные степени окисления не выводятся из номера группы, и их приходится помнить. Зато их немного, и в заданиях ОГЭ встречаются в основном железо, медь и марганец.

Формат линии 4 постоянен: даны три вещества под буквами А, Б, В и четыре значения степени окисления под цифрами; надо к каждому веществу подобрать степень окисления одного названного элемента — чаще всего серы, азота, хлора или углерода. Один первичный балл.

Порядок работы — четыре шага.

Шаг 1. Расставьте известные степени окисления. Водород в соединениях с неметаллами +1, кислород −2, щелочной металл +1, щёлочноземельный +2, алюминий +3, фтор −1. Эти значения не считают, а ставят сразу.

Шаг 2. Обозначьте искомую степень окисления через x.

Шаг 3. Составьте уравнение: сумма всех степеней окисления с учётом индексов равна нулю. Для нейтральной молекулы это ноль; для иона — заряд иона.

Шаг 4. Решите уравнение и проверьте знак.

Пройдём по трём веществам одного задания, чтобы порядок стал привычным.

H₂S. Водород +1, атомов два, вклад 2 · (+1) = +2. Сера x, атом один. Уравнение: +2 + x = 0, отсюда x = −2. Это низшая степень окисления серы, и она соответствует номеру группы минус восемь: 6 − 8 = −2. Сходится.

SO₂. Кислород −2, атомов два, вклад 2 · (−2) = −4. Сера x. Уравнение: x − 4 = 0, отсюда x = +4.

H₂SO₄. Водород: 2 · (+1) = +2. Кислород: 4 · (−2) = −8. Сера x. Уравнение: +2 + x − 8 = 0, отсюда x = +6. Это высшая степень окисления серы, равная номеру группы. Сходится.

Проверки, которые ловят почти любую ошибку.

• • Степень окисления элемента не может быть выше номера его группы и ниже, чем номер группы минус восемь. Получили у серы +8 — ошибка.
• • В простом веществе степень окисления всегда ноль, сколько бы атомов ни было в молекуле.
• • Сумма степеней окисления в нейтральной молекуле обязана дать ноль. Пересчитайте после того, как нашли x: для H₂SO₄ это 2 · (+1) + (+6) + 4 · (−2) = 2 + 6 − 8 = 0.
• • В сложном ионе сумма равна заряду иона, а не нулю. Для SO₄²⁻: x + 4 · (−2) = −2, отсюда x = +6.

Частая ошибка формата: перепутать порядок ответа. Цифры записывают в порядке А, Б, В, и, если вещества в перечне идут не по возрастанию степени окисления, соблазн записать «по порядку номеров» велик. Всегда сверяйтесь с буквами.

Задание 4 стоит два балла и выглядит как формальное упражнение: посмотрел на формулу, решил маленькое уравнение, записал цифру. Но умение, которое оно проверяет, работает дальше во всей второй части, и особенно в задании 20 — электронном балансе за три балла.

Смысл степени окисления в том, что она показывает, куда сместились электроны. Условный заряд +6 у серы в H₂SO₄ означает: если бы все связи были полностью ионными, сера отдала бы шесть электронов. Реально связи ковалентные и целых электронов никто не отдаёт, но направление смещения передано верно — и этого достаточно, чтобы считать.

Отсюда определение, на котором стоит вся тема окисления и восстановления: реакция является окислительно-восстановительной тогда и только тогда, когда у кого-то степень окисления изменилась. Сравните две реакции. NaOH + HCl = NaCl + H₂O: натрий был +1 и остался +1, хлор был −1 и остался −1, водород +1, кислород −2 — не изменилось ничего, и это не окислительно-восстановительная реакция. А Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑: цинк был 0, стал +2; водород был +1, стал 0 — изменения есть, реакция окислительно-восстановительная. Чтобы отличить одну от другой, не нужно ничего, кроме умения из задания 4.

Дальше проверка идёт по двум словам, которые путают чаще всего. Окислитель принимает электроны, и его степень окисления понижается. Восстановитель отдаёт электроны, и его степень окисления повышается. Названия звучат наоборот тому, что происходит, и это не случайность: окислитель называется так потому, что он окисляет другого, а сам при этом восстанавливается.

И последнее, чисто арифметическое: число отданных электронов всегда равно числу принятых. На этом равенстве и строится электронный баланс, из которого потом получаются коэффициенты уравнения. Поэтому потраченные на задание 4 три минуты окупаются дважды — и в первой части, и в задании 20.

Пока в задании стоит цельная молекула, правило «сумма равна нулю» работает без оговорок. Но в заданиях 4, 14 и 20 постоянно встречаются ионы, и здесь у правила есть поправка, без которой ответ будет неверным.

Для иона сумма степеней окисления равна заряду иона, а не нулю. Сульфат-ион SO₄²⁻: x + 4 · (−2) = −2, откуда x = +6. Карбонат-ион CO₃²⁻: x + 3 · (−2) = −2, откуда x = +4. Нитрат-ион NO₃⁻: x + 3 · (−2) = −1, откуда x = +5. Фосфат-ион PO₄³⁻: x + 4 · (−2) = −3, откуда x = +5.

Полезное наблюдение: степень окисления элемента в кислотном остатке та же, что и в отвечающей ему кислоте. В H₂SO₄ сера +6, и в сульфат-ионе +6; в HNO₃ азот +5, и в нитрат-ионе +5. Это не совпадение: при диссоциации отрывается только водород, перераспределения электронов внутри остатка не происходит. Отсюда практический приём: если сложный ион сбивает с толку, достройте его водородом до кислоты и считайте в ней.

Отдельно о солях. В формуле соли считать удобнее по частям, а не целиком. Al₂(SO₄)₃: алюминий +3 (это его постоянная степень окисления), три сульфат-группы по −2 дают −6, и 2 · (+3) + (−6) = 0 — сходится. Сера внутри каждой группы, как мы уже посчитали, +6. Считать сразу «x от серы по всей формуле Al₂S₃O₁₂» тоже можно, но вероятность ошибиться в арифметике заметно выше.

И два постоянных исключения, которые стоит держать в голове, потому что их любят ставить в задания-ловушки. Пероксиды: в H₂O₂ и в Na₂O₂ кислород имеет −1, а не −2, потому что один из его атомов связан с таким же атомом кислорода. Гидриды металлов: в NaH и CaH₂ водород имеет −1, а не +1, потому что металл менее электроотрицателен, чем водород, и электрон уходит к водороду. Во всех остальных школьных соединениях опорные значения работают без исключений.