Степени окисления элементов. Как искать степени окисления?

Степени окисления элементов. Как искать степени окисления? Кислород
Содержание
  1. Классификация оксидов по кислотно-основным свойствам
  2. Основное состояние атома кислорода
  3. Валентные возможности атома азота
  4. Валентные возможности атома водорода
  5. Валентные возможности атома кислорода
  6. Валентные возможности атома серы
  7. Валентные возможности атома углерода
  8. Валентные возможности фосфора
  9. Высшая степень окисления кислорода в соединениях
  10. Задание по образцу фипи:
  11. История открытия химического элемента
  12. Как определить
  13. Кислород – мощный окислитель, без которого невозможно существование
  14. Общая характеристика элементов via группы
  15. Озон и его соединения
  16. Пероксиды, степень окисления кислорода в пероксиде водорода и других соединениях
  17. Получение
  18. Применение кислорода и его соединений в промышленности
  19. Пример 1
  20. Природные соединения
  21. Степень окисления
  22. Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):
  23. Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):
  24. Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):
  25. Таблица степеней окисления химических элементов.
  26. Физические свойства кислорода
  27. Фториды, степень окисления кислорода в of2
  28. Химические свойства
  29. Химические свойства кислорода
  30. Электроотрицательность

Классификация оксидов по кислотно-основным свойствам

Существует четыре вида оксидов:

  • основные;
  • кислотные;
  • нейтральные;
  • амфотерные.

Степени окисления кислорода в соединениях данных видов равны -2.

  • Основные оксиды – это соединения с металлами, обладающими низкими степенями окисления. Обычно при взаимодействии с кислотами получаются соответствующие соль и вода.
  • Кислотные оксиды – оксиды неметаллов с высокой степенью окисления. При добавлении к ним воды образуется кислота.
  • Нейтральные оксиды – соединения, которые не входят в реакцию ни с кислотами, ни с основаниями.
  • Амфотерные оксиды – соединения с металлами, обладающими малым значением электроотрицательности. Они, в зависимости от обстоятельств, проявляют свойства и кислотных, и основных оксидов.

Основное состояние атома кислорода

У атома кислорода (как и атомы азота, фтора, неона) нет возбужденного состояния, так как отсутствует свободная орбиталь с более
высоким энергетическим уровнем, куда могли бы перемещаться валентные электроны.


Атом кислорода имеется два неспаренных электрона, максимальная валентность II.

Валентные возможности атома азота

Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:

Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH3), азотистой кислоты (HNO2), треххлористого азота (NCl3) и т.д.

Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но  также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( 1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.Степени окисления элементов. Как искать степени окисления?

Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.

Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии.

Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие  могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO3 или оксида азота N2O5? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:

Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованнаяπ-связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O3, бензола C6H6 и т.д.

em>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:

1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV

2) Валентности V у азота не бывает!

3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N2O5 азот имеет валентность IV, а степень окисления 5 (!).

4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH4 , азотная кислота и д.р).

Валентные возможности атома водорода

Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:

Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон.

Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.

Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.

Валентные возможности атома кислорода

Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:

Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).

Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d-подуровня, распаривание электронов s и p-орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.

Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.

Валентные возможности атома серы

Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:

У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода  H2S.

Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d-подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p-подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:

В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO2, SF4, SOCl2 и т.д.

При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s-подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:

В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO3, H2SO4, SO2Cl2 и т.д.

Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.

Валентные возможности атома углерода

Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:

Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:

Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.

Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных ( 1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.

Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:

1) Для углерода возможны валентности II, III, IV

2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV

3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму

Валентные возможности фосфора

Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:

Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.

Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d-подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.

В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s-орбитали:

Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.

Высшая степень окисления кислорода в соединениях

В зависимости от того, с каким веществом взаимодействует кислород, есть семь степеней окисления кислорода:

  1. -2 – в оксидах и органических соединениях.
  2. -1 – в пероксидах.
  3. -1/2 – в супероксидах.
  4. -1/3 – в неорганических озонидах (верно для трехатомного кислорода — озона).
  5. 1/2 – в солях катиона кислорода.
  6. 1 – в монофториде кислорода.
  7. 2 – в дифториде кислорода.

Как видим, высшая степень окисления кислорода достигается в оксидах и органических соединениях, а во фторидах он имеет даже положительную степень. Не все виды взаимодействий могут быть осуществлены естественным путем. Для образования некоторых соединений требуются особые условия, например: высокое давление, высокая температура, воздействие редкими соединениями, которые почти не встречаются в природе. Рассмотрим основные соединения кислорода с другими химическими элементами: оксиды, пероксиды и фториды.

Задание по образцу фипи:

Перевод формулы амфотерного гидроксида из основной формы в кислотную.

Пример 1.

  1. Возьмём любой амфотерный гидроксид: Al(OH)3;

  2. Поменяем порядок элементов на кислотную форму (водород → элемент → кислород) без учета индексов основной формы: HAlO;

  3. Расставим степени окисления:

  4. Молекула должна быть электронейтральной (количество положительных и отрицательных зарядов должно быть равным), для этого кислорода должно быть в два раза больше, поэтому после него ставим индекс «2»: HAlO2

Пример 2.

  1. Zn(OH)2;

  2. HZnO

  3. Согласно этой формуле после кислорода придется поставить индекс «1,5», но индексы могут быть выражены только целыми числами, поэтому сначала приведем количество положительных зарядов к четному значению, домножив элемент с нечетной степенью окисления (водород) на 2, получим формулу: H2ZnO, она пока всё равно не является электронейтральной, сумма её зарядов может быть выражена следующим уравнением: 2 2‒2 = 2, а должно быть = 0

Чтобы количество отрицательных зарядов тоже стало равно четырем, количество кислорода нужно умножить вдвое, поставив после него индекс «2». Получается формула H2ZnO2

Таб. «Общие формулы амфотерных гидроксидов в зависимости от степени окисления металла в них»

Степень окисления

2

3

4

Основная формула

Me(OH)2

Me(OH)3

Me(OH)4

Кислотная формула

H2MeO2

HMeO2

H2MeO3

Пример

H2BeO2

HCrO2

H2MnO3

Me – металл.

Классификация основных гидроксидов (оснований) по количеству гидроксо-групп.

Основания

Однокислотные

Двукислотные

LiOH

NaOH

KOH

Ca(OH)2

Fe(OH)2

Ba(OH)2

Однокислотные основания при диссоциации образуют лишь один гидроксид ион:

LiOH ↔ Li OH‒

NaOH ↔ Na OH‒

Двукислотные основания при диссоциации образуют два гидроксид-иона:

Ca(OH)2 ↔ Ca2 2OH‒

Ba(OH)2 ↔ Ba2 2OH‒

Основные гидроксиды не могут быть трёхкислотными или четырёхкислотными, так как в них металл будет иметь степень окисления « 3» или « 4», а это уже будет не основанием, а амфотерным гидроксидом.

Почему количество гидроксильных групп называется кислотностью? Потому что на нейтрализацию оснований требуется протон водорода из кислоты. Для нейтрализации однокислотных оснований потребуется один протон водорода, а на нейтрализацию двукислотного основания – два протона водорода и так далее. Например:

Молекулярное уравнение (МУ): NaOH HCl = NaCl H2O

Полное ионное уравнение (ПИУ): Na OH‒ H Cl‒ = Na Cl‒ H2O

Сокращение одинаковых ионов: Na OH‒ H Cl‒ = Na Cl‒ H2O

Сокращенное ионное уравнение (СИУ): OH‒ H = H2O

На нейтрализацию однокислотного основания потребовался один протон водорода из соляной кислоты.

Классификация оснований по силе

Основания также можно поделить на сильные и слабые. Сильные диссоциируют очень быстро, даже двухосновные распадаются на ионы на столько быстро, что можно не учитывать ступенчатость этого процесса:

LiOH ↔ Li OH‒

Ba(OH)2 ↔ Ba2 2OH‒

Слабые основания диссоциируют очень медленно, ступенчато:

Fe(OH)2 ↔ FeOH OH‒ (первая ступень)

FeOH ↔ Fe2 OH‒ (вторая ступень)

Сильные основания растворимы или малорастворимы (исключение: гидроксид аммония будучи растворимым остаётся слабым основанием) и называются щелочами. Слабые основания нерастворимы.

Таб. «Сильные и слабые основания»

Основания

Сильные (щелочи)

Слабые

Растворимы

Нерастворимы (искл. NH4OH)

Гидроксиды металлов IA-подгруппы, а также кальция, стронция и бария

Все остальные

Примеры:

LiOH, NaOH, KOH, CsOH, FrOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2

Примеры:

Mg(OH)2, Fe(OH)2, CuOH, Cr(OH)2, Mn(OH)2, Cu(OH)2

История открытия химического элемента

Официальной датой открытия химического элемента «кислород» является 1 августа 1774 года. Именно в этот день британский химик Дж. Пристли завершил свой эксперимент по разложению оксида ртути, находящегося в герметично закрытом сосуде. По завершении эксперимента ученый получил газ, который поддерживал горение.

Однако это открытие осталось незамеченным даже самим ученым. Мистер Пристли думал, что у него получилось выделить не новый элемент, а составную часть воздуха. Своими результатами Джозеф Пристли поделился с известнейшим французским ученым и химиком Антуаном Лавуазье, который смог понять то, чего не удалось сделать англичанину.

В 1775 году Лавуазье сумел установить, что получившаяся «составная часть воздуха» на самом деле является независимым химическим элементом, и назвал его oxygen, что в переводе с греческого означает «образующий кислоты». Лавуазье тогда считал, что кислород находится во всех кислотах. Впоследствии были выведены формулы кислот, не содержащих атомы кислорода, однако название прижилось.

Как определить

Существует таблица, в которой указаны все возможные степени окисления элементов.

Название

Символ

Степень окисления

Водород

H

1, -1

Гелий

He

0

Литий

Li

1

Бериллий

Be

2

Бор

B

-1, 0, 1, 2, 3

Углерод

C

-4, -3, -2, -1, 0, 2, 4

Азот

N

-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5

Кислород

O

-2, -1, 0, 1, 2

Фтор

F

-1

Неон

Ne

0

Натрий

Na

1

Магний

Mg

2

Алюминий

Al

3

Кремний

Si

-4, 0, 2, 4

Фосфор

P

3, 0, 3, 5

Сера

S

2, 0, 4, 6

Хлор

Cl

1, 0, 1, 3, 5, 7, редко 2 и 4

Аргон

Ar

0

Калий

K

1

Кальций

Ca

2

Скандий

Sc

3

Титан

Ti

2, 3, 4

Ванадий

V

2, 3, 4, 5

Хром

Cr

2, 3, 6

Марганец

Mn

2, 3, 4, 6, 7

Железо

Fe

2, 3, редко 4 и 6

Кобальт

Co

2, 3, редко 4

Никель

Ni

2, редко 1, 3, 4

Медь

Cu

1, 2, редко 3

Цинк

Zn

2

Галлий

Ga

3, редко 2

Германий

Ge

-4, 2, 4

Мышьяк

As

-3, 3, 5, редко 2

Селен

Se

-2, 4, 6, редко 2

Бром

Br

-1, 1, 5, редко 3, 4

Криптон

Kr

0

Рубидий

Rb

1

Стронций

Sr

2

Иттрий

Y

3

Цирконий

Zr

4, редко 2, 3

Ниобий

Nb

3, 5, редко 2, 4

Молибден

Mo

3, 6, редко 2, 3, 5

Технеций

Tc

6

Рутений

Ru

3, 4, 8, редко 2, 6, 7

Родий

Rh

4, редко 2, 3, 6

Палладий

Pd

2, 4, редко 6

Серебро

Ag

1, редко 2, 3

Кадмий

Cd

2, редко 1

Индий

In

3, редко 1, 2

Олово

Sn

2, 4

Сурьма

Sb

-3, 3, 5, редко 4

Теллур

Te

-2, 4, 6, редко

Иод

I

-1, 1, 5, 7, редко 3, 4

Ксенон

Xe

0

Цезий

Cs

1

Барий

2

Лантан

La

3

Церий

Ce

3, 4

Празеодим

Pr

3

Неодим

Nd

3, 4

Прометий

Pm

3

Самарий

Sm

3, редко 2

Европий

Eu

3, редко 2

Гадолиний

Gd

3

Тербий

Tb

3, 4

Диспрозий

Dy

3

Гольмий

Ho

3

Эрбий

Er

3

Тулий

Tm

3, редко 2

Иттербий

Ib

3, редко 2

Лютеций

Lu

3

Гафний

Hf

4

Тантал

Ta

5, редко 3, 4

Вольфрам

W

6, редко 2, 3, 4, 5

Рений

Re

2, 4, 6, 7, редко -1, 1, 3, 5

Осмий

Os

3, 4, 6, 8, редко 2

Иридий

Ir

3, 4, 6, редко 1, 2

Платина

Pt

2, 4, 6, редко 1, 3

Золото

Au

1, 3, редко 2

Ртуть

Hg

1, 2

Талий

Tl

1, 3, редко 2

Свинец

Pb

2, 4

Висмут

Bi

3, редко 3, 2, 4, 5

Полоний

Po

2, 4, редко -2, 6

Астат

At

Радон

Ra

0

Франций

Fr

Радий

Ra

2

Актиний

Ac

3

Или использовать на уроках этот вариант таблицы.

Таблица степеней окисления
Рис. 2. Таблица степеней окисления.

Кроме того, степени окисления химических элементов можно определить по периодической таблице Менделеева:

  • высшая степень (максимально положительная) совпадает с номером группы;
  • для определения минимального значения степени окисления из номера группы вычитается восемь.
Таблица Менделеева
Рис. 3. Таблица Менделеева.

Большинство неметаллов имеют положительную и отрицательную степени окисления. Например, кремний находится в IV группе, значит, его максимальная степень окисления 4, а минимальная -4. В соединениях неметаллов (SO3, CO2, SiC) окислителем является неметалл с отрицательной степенью окисления или с большим значением электроотрицательности.

Второе правило не работает для щелочных и щелочноземельных металлов, которые всегда имеют одну положительную степень окисления, равную номеру группы. Исключения составляют магний и бериллий ( 1, 2). Также постоянную степень окисления имеют:

  • алюминий ( 3);
  • цинк ( 2);
  • кадмий ( 2).

Остальные металлы имеют непостоянную степень окисления. В большинстве реакций выступают в качестве восстановителя. В редких случаях могут быть окислителями с отрицательной степенью окисления.

Кислород – мощный окислитель, без которого невозможно существование

Выше много было написано о том, какие кислород проявляет степени окисления при вступлении в реакцию с различными соединениями и элементами, какие виды соединений кислорода существуют, какие виды опасны для жизни, а какие нет. Одно может остаться непонятным – как при всей своей токсичности и высоком уровне окисления кислород является одним из элементов, без которых невозможна жизнь на Земле?

Дело в том, что наша планета является очень сбалансированным организмом, который приспособился именно к тем веществам, которые содержатся в атмосферном слое. Она участвует в круговороте, который выглядит следующим образом: человек и все остальные животные потребляют кислород и вырабатывают углекислый газ, а растения в подавляющем большинстве потребляют углекислый газ и вырабатывают кислород.

Общая характеристика элементов via группы

Общее название элементов VIa группы O, S, Se, Te, Po — халькогены. Халькогены (греч. χαλκος — руда γενος —
рождающий) — входят в состав многих минералов. Например, кислород составляет 50% массы земной коры.


От O к Po (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств.
Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Среди элементов VIa группы O, S, Se — неметаллы. Te, Po — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np4:

  • O — 2s22p4
  • S — 3s23p4
  • Se — 4s24p4
  • Te — 5s25p4
  • Po — 6s26p4

Озон и его соединения

Озон – это молекула, имеющая три атома кислорода, связанных друг с другом. В нормальном состоянии является газом голубого цвета. При охлаждении образует жидкость глубокого синего цвета, близкого к индиго. В твердом состоянии являет собой кристаллы темно-синего цвета. Озон обладает резким запахом, в природе его можно ощутить в воздухе после сильной грозы.

Озон, как и обычный кислород, является очень сильным окислителем. По химическим свойствам приближается к сильным кислотам. При воздействии с оксидами озон повышает их степень окисления с выделением кислорода. Но при этом понижается степень окисления кислорода.

В озоне химические связи не столь прочны, как в O2, поэтому в нормальных условиях без приложенных усилий он может распасться на кислород с выделением энергии тепла. При повышении температуры воздействия на молекулу озона и при понижении давления процесс распада на двухатомный кислород с выделением тепла ускоряется. При этом, если в пространстве большое содержание озона, то данный процесс может сопровождаться взрывом.

Так как озон является очень сильным окислителем и практически во всех процессах с его участием выделяется большое количество O2, то озон является чрезвычайно токсичным веществом. Однако в верхних слоях атмосферы слой озона играет роль отражателя от ультрафиолетового излучения солнечных лучей.

Из озона с помощью лабораторных инструментов создают органические и неорганические озониды. Это весьма нестабильные по своей структуре вещества, поэтому их создание в природных условиях невозможно. Хранятся озониды только при низких температурах, так как при обычной температуре они чрезвычайно взрывоопасны и токсичны.

Пероксиды, степень окисления кислорода в пероксиде водорода и других соединениях

Пероксидами называются соединения кислорода со щелочными металлами. Они получаются путем сгорания данных металлов в кислороде. Пероксиды органических соединений чрезвычайно взрывоопасны. Они также могут быть получены путем поглощением оксидами кислорода. Примеры пероксидов:

  • пероксид водорода (H2O2);
  • пероксид бария (BaO2);
  • пероксид натрия (Na2O2).

Всех их объединяет то, что в них содержится кислородная группа -O-O-. Вследствие этого степень окисления кислорода в пероксидах равна -1.

Одним из самых известных соединений с группой -O-O- является пероксид водорода. В нормальных условиях это соединение представляет собой жидкость бледно-голубого цвета. По своим химическим свойствам пероксид водорода ближе к слабой кислоте. Так как связь -O-O- в соединении обладает слабой устойчивостью, то даже при комнатной температуре раствор пероксида водорода может быть разложен на воду и кислород.

Другими видами пероксидов являются:

  • надпероксиды (супероксиды, в которых кислород имеет окисление -1/2);
  • неорганические озониды (крайне неустойчивые соединения, имеющие в своей структуре анион озона);
  • органические озониды (соединения, имеющие в своей структуре связь -O-O-O-).

Получение


В промышленности кислород получают из сжиженного воздуха. Также активно применяются кислородные установки, мембрана которых
устроена как фильтр, отсеивающие кислород (мембранная технология).

В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия (марганцовки) или бертолетовой соли при нагревании. Применяется реакция
каталитического разложения пероксида водорода.

KMnO4 → K2MnO4 MnO2 O2↑


KClO3 → KCl O2↑

H2O2 → (кат. — MnO2) H2O O2

На подводных лодках для получения кислорода применяют следующую реакцию:


Na2O2 CO2 → Na2CO3 O2↑

Применение кислорода и его соединений в промышленности

Благодаря тому, что в свое время ученые узнали, какая степень окисления у кислорода при взаимодействии с другими элементами, он и его соединения получили широкое применение в промышленности. Особенно после того, как в середине двадцатого века были изобретены турбодетандеры – агрегаты, способные преобразовывать потенциальную энергию кислорода в механическую.

Так как кислород — чрезвычайно горючее вещество, то его применяют во всех отраслях промышленности, где необходимо использование огня и тепла. При резке и сварке металлов также используются баллоны со сжатым кислородом для усиления аппарата газопламенной сварки. Широко применение кислорода в сталелитейной промышленности, где с помощью сжатого O

2

поддерживается высокая температура в домнах. Максимальная степень окисления кислорода равна -2. Эта его характеристика активно используется для изготовления оксидов с целью их дальнейшего горения и выделения тепловой энергии. Жидкий кислород, озон и другие соединения, содержащие большое количество O

2,

используют как окислители ракетного топлива. Окисленные кислородом некоторые органические соединения применяют в качестве взрывчатки.

В химической промышленности кислород используется как окислитель углеводородов в кислотосодержащих соединениях, таких как спирты, кислоты и т. д. В медицине используется при пониженном давлении для лечения больных с проблемами с легкими, для поддержания жизнедеятельности организма.

Пример 1

Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.

Природные соединения

  • Воздух — в составе воздуха кислород занимает 21% (это число пригодится в задачах!)
  • В форме различных минералов в земной коре кислорода содержится около 50%
  • В живых организмов кислород входит в состав органических веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот

Степень окисления

Степенью окисления (СО) называют условный показатель, который характеризует заряд атома в соединении и его поведение в ОВР (окислительно-восстановительной
реакции). В простых веществах СО всегда равна нулю, в сложных — ее определяют исходя из постоянных степеней окисления у некоторых элементов.

Численно степень окисления равна условному заряду, который можно приписать атому, руководствуясь предположением, что все электроны,
образующие связи, перешли к более электроотрицательному элементу.

Определяя степень окисления, одним элементам мы приписываем условный заряд » «, а другим «-«. Это связано с электроотрицательностью —
способностью атома притягивать к себе электроны. Знак » » означает недостаток электронов, а «-» — их избыток. Повторюсь, СО — условное
понятие.

Сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю — это важно помнить для самопроверки.

Кто более электроотрицательный, тот сильнее притягивает к себе электроны и «уходит в минус». Кто отдает свои электроны и испытывает их недостаток —
получает знак » «.

Самостоятельно определите степени окисления атомов в следующих веществах: RbOH, NaCl, BaO, NaClO3, SO2Cl2,
KMnO4, Li2SO3, O2, NaH2PO4. Ниже вы найдете решение этой задачи.

Сравнивайте значение электроотрицательности по таблице Менделеева, и, конечно, пользуйтесь интуицией 🙂 Однако по мере изучения химии, точное знание
степеней окисления должно заменить даже самую развитую интуицию 😉


Особо хочу выделить тему ионов. Ион — атом, или группа атомов, которые за счет потери или приобретения одного или нескольких
электронов приобрел(и) положительный или отрицательный заряд.

Определяя СО атомов в ионе, не следует стремиться привести общий заряд иона к «0», как в молекуле. Ионы даны в таблице растворимости, они имеют
разные заряды — к такому заряду и нужно в сумме привести ион. Объясню на примере.

Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):

Атомный номер Химический элемент Символ Степень окисления
1 Водород H 1, 0, -1
2 Гелий He 0
3 Литий Li 1
4 Бериллий Be 0, 1, 2
5 Бор B -1, 0, 1, 2, 3
6 Углерод C -4 , -3 , -2 , -1 , 0 , 1, 2, 3, 4
7 Азот N -3 , -2, -1, 0, 1, 2,  3 , 4,  5
8 Кислород O -2, -1, -0,5, 0, 1, 2
9 Фтор F -1, 0
10 Неон Ne 0
11 Натрий Na -1, 0, 1
12 Магний Mg 0, 2
13 Алюминий Al 0, 1, 2, 3
14 Кремний Si -4 , -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
15 Фосфор P -3 , -2, -1, 0, 1, 2, 3 , 4, 5
16 Сера S -2 , -1, 0 , 1 , 2 , 3, 4 , 5, 6
17 Хлор Cl -1 , 0, 1 , 2, 3 , 4, 5 , 6, 7
18 Аргон Ar 0
19 Калий K 0, 1
20 Кальций Ca 0, 2
21 Скандий Sc 0, 1, 2, 3
22 Титан Ti -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
23 Ванадий V -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
24 Хром Cr -4, -2, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5, 6
25 Марганец Mn -3, -2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4 , 5, 6, 7
26 Железо Fe -4, -2, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5, 6 , 7
27 Кобальт Co -3, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5
28 Никель Ni -2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4
29 Медь Cu -2, 0, 1, 2 , 3, 4
30 Цинк Zn -2, 0, 1, 2
31 Галлий Ga -5, -4, -3, -2, -1, 1, 2, 3
32 Германий Ge -4 -3, -2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4
33 Мышьяк As -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
34 Селен Se -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
35 Бром Br -1, 0, 1, 3, 4, 5, 7

Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):

36 Криптон Kr 0, 1, 2
37 Рубидий Rb -1, 0, 1
38 Стронций Sr 0, 1, 2
39 Иттрий Y 0, 1, 2, 3
40 Цирконий Zr -2, 0, 1, 2, 3, 4
41 Ниобий Nb -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
42 Молибден Mo -4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
43 Технеций Tc -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
44 Рутений Ru -4, -2, 0, 1,  2,  3,  4, 5, 6, 7, 8
45 Родий Rh -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
46 Палладий Pd 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
47 Серебро Ag -2, -1,  1, 2, 3
48 Кадмий Cd -2, 1, 2
49 Индий In -5, -2, -1, 1, 2, 3
50 Олово Sn -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
51 Сурьма Sb -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
52 Теллур Te 2, -1, 1, 2, 3, 4, 5, 6
53 Йод I -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
54 Ксенон Xe 0, 1, 2, 4, 6, 8
55 Цезий Cs -1, 1
56 Барий Ba 1, 2
57 Лантан La 0, 1, 2, 3
58 Церий Ce 1, 2, 3, 4
59 Празеодим Pr 0, 1, 2, 3, 4, 5
60 Неодим Nd 0, 2, 3, 4
61 Прометий Pm 2, 3
62 Самарий Sm 0, 2, 3
63 Европий Eu 1, 2, 3
64 Гадолиний Gd 0, 1, 2, 3
65 Тербий Tb 0, 1, 2, 3, 4
66 Диспрозий Dy 0, 1, 2, 3, 4
67 Гольмий Ho 0, 1, 2, 3
68 Эрбий Er 0, 1, 2, 3
69 Тулий Tm 2, 3
70 Иттербий Yb 1, 2, 3

Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):

71 Лютеций Lu 0, 1, 2, 3
72 Гафний Hf -2, 0, 1, 2, 3, 4
73 Тантал Ta -3, -1, 1, 2, 3, 4, 5
74 Вольфрам W -4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
75 Рений Re -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
76 Осмий Os -4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
77 Иридий Ir -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
78 Платина Pt -3, -2, -1, 0, 1,  2, 3,  4, 5, 6
79 Золото Au -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 5
80 Ртуть Hg -2, 1, 2
81 Таллий Tl -5, -2, -1, 1, 2, 3
82 Свинец Pb -4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
83 Висмут Bi -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4, 5
84 Полоний Po -2, 2, 4, 5, 6
85 Астат At -1, 1, 3, 5, 7
86 Радон Rn 0, 2, 6, 8
87 Франций Fr 0, 1
88 Радий Ra 2
89 Актиний Ac 3
90 Торий Th 1, 2, 3, 4
91 Протактиний Pa 2, 3, 4, 5
92 Уран U 1, 2, 3, 4, 5, 6
93 Нептуний Np 2, 3, 4, 5, 6, 7
94 Плутоний Pu 2, 3, 4, 5, 6, 7
95 Америций Am 2, 3, 4, 5, 6, 7
96 Кюрий Cm 3, 4, 5, 6
97 Берклий Bk 2, 3, 4, 5
98 Калифорний Cf 2, 3, 4, 5
99 Эйнштейний Es 2, 3, 4
100 Фермий Fm 2, 3
101 Менделевий Md 2, 3
102 Нобелий No 2, 3
103 Лоуренсий Lr 3
104 Резерфордий (Курчатовий) Rf 2, 3, 4 – предположительно
105 Дубний (Нильсборий) Db 3, 4, 5 – предположительно
106 Сиборгий Sg 0, 3, 4, 5, 6 – предположительно
107 Борий Bh 3, 4, 5, 7 – предположительно
108 Хассий Hs 2, 3, 4, 6, 8 – предположительно
109 Мейтнерий Mt 1, 3, 4, 6, 8, 9 – предположительно
110 Дармштадтий Ds 0, 2, 4, 6, 8 – предположительно

Коэффициент востребованности 2 923

Таблица степеней окисления химических элементов.

Степень окисления (окислительное число) – это вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атома молекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов. Однако она не является истинным зарядом атома в молекуле.

Степень окисления соответствует числу электронов, которое следует присоединить к положительному иону (катиону), чтобы восстановить его до нейтрального атома, или отнять от отрицательного иона (аниона), чтобы окислить его до нейтрального атома.

Степень окисления (в отличие от валентности) может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения.

Физические свойства кислорода

Обычный двухатомный кислород представляет собой газ, который не имеет цвета, запаха и вкуса. В нормальном состоянии его плотность — 1,42897 кг/м3. Вес 1 литра вещества составляет чуть меньше 1,5 грамма, то есть в чистом виде кислород тяжелее воздуха. При нагревании происходит диссоциация молекулы на атомы.

При понижении температуры среды до -189,2 оС кислород меняет свою структуру с газообразной на жидкую. При этом происходит кипение. При уменьшении температуры до -218,35 оС наблюдается изменение структуры с жидкой до кристаллической. При такой температуре кислород имеет форму голубоватых кристаллов.

При комнатной температуре кислород слаборастворим в воде – на один литр ее приходится 31 миллилитр кислорода. Растворимость с другими веществами: 220 мл на 1 литр этанола, 231 мл на 1 литр ацетона.

Фториды, степень окисления кислорода в of2

Фтор – наиболее активный элемент из всех ныне известных. Поэтому при взаимодействии кислорода с фтором получаются не оксиды, а фториды. Они названы так потому, что в данном соединении не кислород, а фтор является окислителем. Фториды невозможно получить естественным путем. Их только синтезируют, добывая путем ассоциации фтора с водным раствором KOH. Фториды кислорода делятся на:

  • дифторид кислорода (OF2);
  • монофторид кислорода (O2F2).

Рассмотрим более подробно каждое из соединений. Дифторид кислорода по своей структуре является бесцветным газом с ярко выраженным неприятным запахом. При охлаждении конденсируется в желтоватую жидкость. В жидком состоянии плохо смешивается с водой, зато хорошо с воздухом, фтором и озоном.

По химическим свойствам дифторид кислорода – очень сильный окислитель. Степень окисления кислорода в OF2 равна 1, то есть в этом соединении фтор является окислителем, а кислород – восстановителем. OF2 очень токсичен, по степени токсичности превышает чистый фтор и приближается к фосгену.

Монофторид кислорода в нормальном состоянии является твердым веществом желтоватого цвета. При плавлении образует жидкость красного цвета. Является мощнейшим окислителем, при взаимодействии с органическими соединениями чрезвычайно взрывоопасен. В данном соединении кислород проявляет степени окисления, равные 2, то есть и в этом фторовом соединении кислород выступает восстановителем, а фтор – окислителем.

Химические свойства

Является самым активным неметаллом после фтора, образует бинарные соединения со всеми элементами кроме гелия, неона, аргона. Чаще всего реакции
с кислородом экзотермичны (горение), ускоряются при повышении температуры.

Химические свойства кислорода

О химических свойствах кислорода можно написать целый талмуд. Самое главное свойство кислорода – это окисление. Данное вещество является очень сильным окислителем. Кислород способен взаимодействовать практически со всеми известными элементами из таблицы Менделеева.

В результате этого взаимодействия образуются оксиды, как говорилось ранее. Степени окисления кислорода в соединениях с другими элементами в основном равны -2. Примером таких соединений является вода (H2O), углекислый газ (CO2), оксид кальция, оксид лития и др.

Но существует определенная категория оксидов, называемая пероксидами или перекисями. Их особенностью является то, что в данных соединениях есть пероксидная группа «-О-О-». Эта группа уменьшает окислительные свойства O2, поэтому степень окисления кислорода в пероксиде равна -1.

В соединении с активными щелочными металлами кислород образует супероксиды или надперекиси. Примером таких образований является:

  • супероксид калия (KO2);
  • супероксид рубидия (RbO2).

Их особенностью является то, что степень окисления кислорода в супероксидах равна -1/2.

В соединении с самым активным химическим элементом – фтором, получаются фториды. О них будет рассказано ниже.

Электроотрицательность

Электроотрицательность  — способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.

Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:

График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.

При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.

Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий