Степень окисления кислорода (O), формула и примеры

Что такое степень окисления

Для начала давайте вспомним, как проходят химические связи в молекуле вещества. Взаимодействуя между собой, атомы могут притягивать или отдавать электроны для образования общей электронной пары. Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) притягивает электроны и приобретает отрицательный заряд, а атом с меньшей ЭО, напротив, отдает электроны и обретает положительный заряд.

Степень окисления — это условный заряд, который предположительно обретет атом после перемещения электронов. Он вычисляется из предположения, что все свободные электроны полностью перемещаются от одного атома к другому и все образованные связи — ионные.

Почему в определении степени окисления мы говорим об условном заряде? Потому что в реальности он может быть другим, а химические связи атома в соединении не обязательно будут ионными. Но мы предполагаем, что все именно так, чтобы немного упростить расчеты. Это помогает в составлении формул и классификаций.

Запомните:

1. Численно степень окисления равна количеству электронов, которые перешли от одного атома к другому.

2. У атома с меньшей ЭО, который отдает электроны, — положительная степень окисления.

3. У атома с большей ЭО, который притягивает электроны, — отрицательная степень окисления.

4. Простые вещества, такие как Cl₂, O₂ и т. д., имеют степень окисления, равную 0, поскольку смещения электронов в данном случае не происходит.

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.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно параллельно протекают реакции:

— разбавленной азотной кислотой

Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N2O и NH4NO3:

8Al 30HNO3(разб.) = 8Al(NO3)3 3N2O↑ 15H2O

8Al 30HNO3(оч. разб) = 8Al(NO3)3 3NH4NO3 9H2O

Алгоритм действий

Итак, мы знаем основные закономерности. Давайте разберемся, как находить степени окисления на примерах. Предлагаем следующий алгоритм действий.

1. Посмотрите, является ли вещество элементарным. Если да — значит, оно находится в химически несвязанном состоянии и окислительное число равно 0. Это правило подходит как для веществ, образованных из отдельных атомов, так и для тех, что включают многоатомные молекулы одного и того же элемента.

2. Пример

   Степень окисления Cl₂, S₈ равна 0.

3. Если это соединение, определите, состоит ли оно из ионов. В многоатомном ионе сумма всех степеней окисления равна его заряду. Узнайте эту сумму из таблицы растворимости и составьте уравнение с известными окислительными числами.

Пример

Допустим, нужно определить заряд азота в ионе аммония.

Согласно таблице растворимости заряд иона аммония NH₄ равен 1. Это значит, что сумма степеней окисления в этом соединении тоже будет равна 1.

Также известно, что водород всюду, кроме гидридов, имеет заряд 1. В данном случае есть 4 атома водорода, т. е. 1 × 4.

Составим формулу: х ( 1) × 4 = 1. Значит х = −3.

Окислительное число азота в ионе аммония равно −3, т. е. N^-3H₄ ¹.

4. Если соединение — нейтральная молекула, составьте уравнение, учитывая, что все окислительные числа в сумме равны 0.

Пример

Допустим, нужно определить степень окисления серы в соединении Na₂SO₄.

Мы знаем, что у щелочного металла Na постоянное окислительное число 1. Кислород, согласно вышеизложенным правилам, в оксидах имеет заряд −2.

Составим уравнение: ( 1) × 2 х (−2) × 4 = 0. Значит х = −6.

Степень окисления серы равна −6, т. е. Na₂ ¹S^-6O₄^-2.

Валентность и степень окисления: в чем разница?

Школьники, которые только начали изучать данные разделы химии, нередко путают степень окисления и валентность. Численно эти показатели могут совпадать (но далеко не всегда), а вот по смыслу они в корне различаются.

Между этими двумя понятиями есть следующие отличия:

• валентность не имеет знака, в то время как у окислительного числа он есть (« » или «−»);

• валентность равна нулю только в том случае, если атом не имеет связей с другими частицами, а степень окисления может быть равна нулю и при наличии таких связей;

• вычисляя степень окисления, мы предполагаем, что в соединении ионные связи, хотя на самым деле это может быть не так, а валентность всегда имеет реальный смысл.

Поэтому отождествлять эти два понятия ни в коем случае не стоит. Более того, не нужно ориентироваться на валентность, пытаясь определить окислительное число.

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.

Графический метод

1. Нарисуйте структурную формулу соединения.

2. Изобразите стрелками химические связи и смещение атомов (все связи между атомами углерода С−С считайте неполярными).

3. Посчитайте, сколько стрелок ведет к атому (это «−») и сколько от него (это « »), а затем суммируйте « » и «−», чтобы узнать степень окисления.



Валентность и степень окисления: в чем разница?

Школьники, которые только начали изучать данные разделы химии, нередко путают степень окисления и валентность. Численно эти показатели могут совпадать (но далеко не всегда), а вот по смыслу они в корне различаются.

Важно!

Валентность показывает, какое количество связей способен образовать один атом, а степень окисления — сколько электронов перемещается в результате этих связей.



Между этими двумя понятиями есть следующие отличия:

• валентность не имеет знака, в то время как у окислительного числа он есть (« » или «−»);

• валентность равна нулю только в том случае, если атом не имеет связей с другими частицами, а степень окисления может быть равна нулю и при наличии таких связей;

• вычисляя степень окисления, мы предполагаем, что в соединении ионные связи, хотя на самым деле это может быть не так, а валентность всегда имеет реальный смысл.

Поэтому отождествлять эти два понятия ни в коем случае не стоит. Более того, не нужно ориентироваться на валентность, пытаясь определить окислительное число.

Вопросы для самопроверки

1. Почему степень окисления называют формальным зарядом, условным?

2. Что отражает численная величина степени окисления?

3. Чему равна сумма всех окислительных чисел в ионе?

4. Как определить низшую степень окисления?

5. Как найти две неизвестных степени окисления в одном веществе?

6. Как определять степени окисления в органических веществах?

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 найти степень окисления в органическом соединении

В органической химии определять окислительные числа элементов немного сложнее, поскольку все органические вещества включают углерод, известный большим количеством неполярных связей. Если у нас всего один атом углерода, можно использовать стандартный способ.

Пример

Рассчитайте степень окисления углерода в метаноле H3C−OH.

Мы знаем, что водород Н имеет окислительное число 1, а у кислорода в данном случае оно равно −2. Составим уравнение:

х ( 1) × 4 ( 2) × 1 = 0

х 4 − 2 = 0

х = −2

Заряд углерода равен −2, т. е. C-2H4 1O-2.

Но что делать, если атомов углерода больше? Придется анализировать структурную формулу, чтобы понять, какие химические связи есть между элементами и сколько электронов они теряют/приобретают в результате. Такой вариант нахождения окислительного числа называют графическим.

Как определить высшую и низшую степень окисления

Выделяют высшую (или максимально положительную) и низшую (максимально отрицательную) степени окисления. В диапазоне между ними располагаются окислительные числа, которые могут принадлежать данному химическому элементу в различных соединениях. Для четных групп характерны четные числа в диапазоне, а для нечетных групп — нечетные.

Высшая степень окисления совпадает с номером группы элемента (для элементов в главной подгруппе) в короткой форме периодической системы.

Низшая степень окисления равна числу, которое получится, если от номера группы элемента отнять 8.

Исключения: фтор, железо, кобальт, родий, подгруппа никеля, кислород, благородные газы (помимо ксенона).

Проиллюстрируем на примере, как найти высшую и низшую степень окисления.

Хлор (Cl), согласно короткой периодической таблице, принадлежит к группе VII. Значит, его максимальное окислительное число будет 7. Такой условный заряд элемент приобретает в оксиде хлора Cl2O7 и хлорной кислоте HClO4. Минимальное число получаем следующим образом: 7 − 8 = −1 (характерно для хлороводорода HCl).

Картинка

По степени окисления можно понять, как поведет себя вещество в окислительно-восстановительных реакциях. Если в соединении главный действующий элемент имеет высшую степень окисления, оно является окислителем, а если он имеет низшую степень окисления — восстановителем.

Например, серная кислота является окислителем, поскольку у серы в данном случае заряд 6. А вот в сернистой кислоте у серы заряд всего 4, поэтому она может проявлять и окислительную способность, и восстановительную. В сероводороде заряд серы равен −2, и это минимальная степень окисления, а значит, данное вещество — восстановитель.

Как рассчитать степень окисления

Как мы уже выяснили выше, определить степень окисления элемента (иначе говоря, окислительное число) помогает электроотрицательность. Значения ЭО легко узнать, пользуясь таблицей Менделеева или шкалой относительной электроотрицательности. Сравните, у какого химического элемента в соединении ЭО выше — этот элемент будет притягивать электроны и приобретет отрицательный заряд.

Шкала относительной электроотрицательности

Это правило поможет составить уравнение и посчитать степень окисления любого химического элемента в соединении, если известны данные по остальным элементам. Еще больше облегчат расчеты следующие закономерности:

• у водорода в гидридах окислительное число −1, а во всех остальных веществах оно равно 1;

• у кислорода степень окисления в оксидах равна −2, в пероксидах −1, в соединениях с фтором 2;

• у неметаллов в соединениях с водородом и металлами окислительное число всегда отрицательное;

• у металлов степень окисления всегда положительная.

Также есть элементы, которые во всех соединениях отдают или принимают одинаковое количество электронов, поэтому их окислительное число — постоянная величина.

Как узнать степень окисления нескольких элементов

А как быть, если неизвестны окислительные числа двух и более элементов в соединении? В математике уравнения с двумя неизвестными не всегда имеют решение. Но в химии есть выход: можно разделить химическую формулу на несколько частей, которые имеют постоянные заряды.

Пример

Как вычислить степень окисления в сложном веществе (NH4)2SO4? Посмотрим на него как на соединение двух ионов с известными зарядами: NH4 и SO42-.

Поскольку мы знаем окислительные числа водорода и кислорода, найти заряды азота и серы в каждом ионе не составит труда.

В ионе NH4 формула для определения заряда азота будет следующей: х ( 1) × 4 = 1. Понятно, что х = −3, т. е. степень окисления азота −3.

В ионе SO42- формула для серы х (−2) × 4 = −2. Следовательно, х = 6, т. е. заряд серы равен 6.

Получаем следующие окислительные числа: (N-3H4 1)2S 6O4-2.

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.

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.

Оксид алюминия, химические свойства, получение

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-).

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.

С галогенами

Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:

2Al 3I2 =2AlI3

С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:

2Al 3Br2 = 2AlBr3

Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:

2Al 3Cl2 = 2AlCl3

С кислородом

При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al2O3, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления.

4Аl 3О2 = 2Аl2О3

С оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

2AI Fe2O3 = 2Fe Аl2О3

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

Со щелочами

Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:

2Al 2NaOH 6H2O = 2Na[Al(OH)4] 3H2↑

так и с чистыми щелочами при сплавлении:

В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:

Аl2О3 2NaOH 3H2O = 2Na[Al(OH)4]

Аl2О3 2NaOH = 2NaAlO2 Н2О

В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:

2Al 6H2O = 2Al(OH)3 3H2↑

Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:

Al(OH)3 NaOH = Na[Al(OH)4]

Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):

Коэффициент востребованности 2 793

Таблица степени окисления химических элементов

Максимальную положительную и минимальную отрицательную степень окисления можно определить с помощью Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Они равны номеру группы, в которой расположен элемент, и разнице между значением «высшей» степени окисления и числом 8, соответственно.

Если рассматривать химические соединения более конкретно, то в веществах с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю (N2, H2, Cl2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na 1I-1, Mg 2Cl-12, Al 3F-13, Zr 4Br-14.

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Существуют элементы, для которых характерно только одно значение степени окисления (фтор, металлы IA и IIA групп и т.д.). Фтор, характеризующийся наибольшим значением электроотрицательности, в соединениях всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления (-1).

Щелочные и щелочноземельные элементы, для которых свойственно относительно невысокое значение электроотрицательности, всегда имеют положительную степень окисления, равную соответственно ( 1) и ( 2).

Однако, имеются и такие химические элементы, для которых характерны несколько значений степени окисления (сера – (-2), 0, ( 2), ( 4), ( 6) и др.).

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие степени окисления характерны для конкретного химического элемента используют таблицы степеней окисления химических элементов, которые выглядят следующим образом:

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.