Низшая степень окисления элемента: как рассчитать и для чего нужна
Низшая степень окисления - это важный показатель, характеризующий свойства химических элементов. Он позволяет предсказать поведение элементов в реакциях и способность их атомов присоединять электроны. Давайте разберемся, что она означает, как рассчитать и где применяется на практике.
1. Определение низшей степени окисления
Низшая степень окисления показывает минимальное количество электронов, которое атом химического элемента может присоединить при взаимодействии с другими атомами. Она характеризует способность атома проявлять восстановительные свойства, то есть отнимать электроны.
Формально низшая степень окисления определяется как наименьший отрицательный заряд иона, образованного данным элементом. Например, низшая степень окисления серы равна -2, потому что минимальный отрицательный заряд ее ионов - это заряд иона S2-.
2. Физический смысл низшей степени окисления
Чтобы понять физический смысл низшей степени окисления, нужно вспомнить, что такое электроотрицательность. Это характеристика, показывающая, насколько сильно атомы химических элементов притягивают к себе электроны при образовании химических связей.
Чем выше электроотрицательность элемента, тем легче его атомы забирают электроны у других атомов. Поэтому низшая степень окисления указывает предел, до которого атом может насытиться электронами при взаимодействии с достаточно электроотрицательными партнерами. То есть это максимальное число электронов, которые атом способен присоединить.
3. Как рассчитать низшую степень окисления по таблице Менделеева
Существует несколько способов определить низшую степень окисления химического элемента:
- По положению элемента в таблице Менделеева. Для большинства неметаллов низшая степень окисления равна номеру группы (вертикальный ряд) минус 8. Например, сера находится в VI группе, значит ее низшая степень окисления равна 6 - 8 = -2.
- По формулам простых веществ. Если элемент образует простое вещество с водородом, то низшая степень окисления равна числу атомов водорода. Например, в PH3 низшая степень окисления фосфора равна -3.
- По формулам кислородсодержащих кислот. Минимальное число атомов кислорода, связанное с данным элементом, указывает на его низшую степень окисления. Так в H2SO3 низшая степень S равна -2.
Таким образом, зная положение элемента в таблице Менделеева и формулы образуемых им веществ, можно легко определить низшую степень окисления.
4. Примеры расчета низшей степени окисления элементов
Давайте на конкретных примерах разберем, как рассчитать низшую степень окисления различных элементов.
- Азот находится в V группе, значит его низшая степень окисления равна 5 - 8 = -3. Это подтверждается формулой гидрида низшая степень окисления элементов азота - аммиака NH3.
- Сера относится к VI группе, соответственно ее низшая степень окисления -2. Формула H2S также указывает на заряд иона S2−.
- Фосфор располагается в V группе, значит можно предположить низшую степень окисления -3. Но в водородном соединении PH3 она составляет только -1. Следовательно, действительное значение -3.
Итак, зная таблицу Менделеева и некоторые простейшие соединения элементов, нетрудно вычислить их низшую степень окисления.
5. Связь между низшей степенью окисления и электроотрицательностью
Между низшей степенью окисления и электроотрицательностью элементов существует обратная зависимость: чем выше электроотрицательность, тем меньше по абсолютной величине низшая степень окисления. Это легко объяснимо, вспоминая физический смысл низшей степени окисления как предельного числа электронов, которые атом может присоединить.
Для атомов с высокой электроотрицательностью это число невелико - они и так эффективно отнимают электроны у других атомов в силу своей природы. А вот атомы элементов с низкой и средней электроотрицательностью способны связывать много дополнительных электронов, повышая тем самым свою отрицательную степень окисления.
| Элемент | Электроотрицательность | Низшая степень окисления |
| Фтор | 4,0 | -1 |
| Кислород | 3,5 | -2 |
| Сера | 2,5 | -2 |
| Фосфор | 2,1 | -3 |
Из таблицы видно, что при уменьшении электроотрицательности низшая степень окисления становится все более отрицательной. Таким образом, между этими величинами прослеживается четкая обратная зависимость.
6. Использование низшей степени окисления на практике
Знание низшей степени окисления важно для понимания химических свойств элементов и их соединений. Рассмотрим основные области применения этого показателя:
- Прогнозирование возможных степеней окисления элемента в различных соединениях. Если известна низшая степень окисления, можно теоретически предсказать диапазон возможных степеней окисления данного элемента.
- Определение характера химической связи в соединениях. Чем ближе степень окисления к низшей, тем больше выражен ионный характер связи.
- Установление соотношений между количеством разных элементом в сложных веществах. Баланс электрических зарядов позволяет рассчитать количественные соотношения элементов.
- Прогнозирование окислительно-восстановительной активности. Чем ниже отрицательное значение низшей степени окисления, тем сильнее выражены восстановительные свойства.
Таким образом, зная всего один показатель - низшую степень окисления - можно делать далеко идущие выводы о химическом поведении элемента.
7. Высшая и низшая степень окисления
Кроме низшей степени окисления, для элементов определяют также высшую степень окисления. Это максимальное число электронов, которое атом элемента может отдать при взаимодействии с другими атомами, то есть проявить максимальные окислительные свойства.
Как и в случае с низшей, высшую степень окисления можно вычислить по положению элемента в таблице Менделеева. Для большинства элементов она численно равна номеру группы. Так, для марганца как элемента VII группы высшая степень окисления равна +7.
Зная высшую и низшую степени окисления, можно точно указать весь диапазон окислительно-восстановительной активности данного элемента. Это важно при изучении его химических реакций и прогнозировании свойств соединений.
8. Ошибки при определении низшей степени окисления
Несмотря на простые правила расчета, при нахождении низшей степени окисления встречаются типичные ошибки. Рассмотрим их подробнее.
- Путаница с валентностью. Это разные понятия. Валентность показывает число связей, образованных атомом в молекуле. А низшая степень окисления относится к зарядам ионов.
- Неверный расчет по группе для неметаллов. Например, для галогенов низшая степень окисления всегда -1, а не равна номеру группы минус 8.
- Определение знака по электроотрицательности. Элемент с бÓльшей электроотрицательностью имеет отрицательную степень окисления в соединении. Но это не относится к низшей степени окисления.
Чтобы избежать подобных ошибок, нужно четко понимать физический смысл низшей степени окисления и правильно применять методику ее расчета.
9. Экспериментальное определение низшей степени окисления
Помимо расчетных методов, низшую степень окисления можно экспериментально определить с помощью реакций элемента с водородом или металлами. Например:
- Взаимодействие исследуемого элемента с избытком водорода. Число атомов водорода в образующемся гидриде указывает на низшую степень окисления.
- Реакция исследуемого элемента с щелочными или щелочноземельными металлами. По составу образующейся соли можно определить заряд аниона элемента и таким образом вычислить низшую степень окисления.
Хотя такие методы трудоемки, они позволяют экспериментально подтвердить расчетные значения.
10. Зависимость низшей степени окисления от строения атома
Величина низшей степени окисления тесно связана с особенностями электронного строения атома. Чем больше у элемента неспаренных электронов на внешнем уровне, тем легче его атом присоединяет дополнительные электроны, повышая отрицательную степень окисления.
Также на значение низшей степени окисления влияет энергия ионизации - минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. Чем меньше эта энергия, тем легче элемент теряет электроны, что снижает возможную степень восстановления.
Учет особенностей электронного строения помогает теоретически обосновать значения низшей степени окисления, полученные экспериментально или расчетным путем.
11. Динамика изменения низшей степени окисления в Периодической системе
Закономерности изменения низшей степени окисления элементов по периодам и группам Периодической системы также обусловлены особенностями строения их атомов.
В пределах малых периодов низшая степень окисления у неметаллов возрастает слева направо с увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне. В больших периодах наблюдается максимум у центральных элементов р-блока.
При движении по группе сверху вниз низшая степень окисления обычно уменьшается, поскольку возрастает размер атома и энергия ионизации. Исключение составляют f-элементы, проявляющие здесь немонотонную динамику.
Таким образом, общая картина изменения этого показателя в Периодической системе тесно связана с закономерностями заполнения электронных оболочек атомов.