Валентность и степень окисления

Валентность показывает, сколько химических связей образует атом, а степень окисления — условный заряд атома в соединении. Эти понятия помогают составлять и проверять химические формулы, определять состав веществ и решать задания на свойства неорганических соединений.

Валентность: смысл и обозначение

Валентность — это число химических связей, которыми атом данного элемента соединён с другими атомами. Валентность обозначают римскими цифрами над символом элемента: I, II, III, IV, V, VI, VII. Например, в воде \(\mathrm{H_2O}\) кислород двухвалентен, потому что образует две связи с двумя атомами водорода. В молекуле аммиака \(\mathrm{NH_3}\) азот трёхвалентен.

Валентность некоторых элементов постоянна. В школьных задачах чаще всего используют: водород — I, кислород — II, щелочные металлы — I, щёлочноземельные металлы — II, алюминий — III. У многих металлов и у ряда неметаллов валентность переменная: железо — II или III, медь — I или II, сера — II, IV или VI.

По этому правилу можно вывести индекс неизвестного элемента или проверить уже записанную формулу. Например, в \(\mathrm{Al_2O_3}\): \(2\cdot III=3\cdot II=6\). Следовательно, формула согласуется с валентностями алюминия и кислорода.

Степень окисления и её основные правила

Степень окисления — условный заряд атома в веществе, который возник бы, если считать все связи ионными, а общие электронные пары полностью отдать более электроотрицательному атому. Её записывают арабскими цифрами со знаком: \(+2\), \(-3\), \(0\). В отличие от валентности степень окисления может быть нулевой и обязательно учитывает знак.

1. Степень окисления простого вещества равна нулю: \(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{Fe}\), \(\mathrm{S_8}\) — \(0\).
2. У фтора в соединениях степень окисления всегда \(-1\).
3. У кислорода обычно \(-2\). Исключения: пероксиды, например \(\mathrm{H_2O_2}\), где кислород имеет \(-1\), и соединения с фтором.
4. У водорода обычно \(+1\), но в гидридах активных металлов, например \(\mathrm{NaH}\), водород имеет \(-1\).
5. В простом ионе степень окисления равна заряду иона: \(\mathrm{Fe^{3+}}\) имеет \(+3\), \(\mathrm{Cl^-}\) — \(-1\).
6. Сумма степеней окисления в нейтральной формульной единице равна нулю.

Алгоритм определения степени окисления

Чтобы найти степень окисления элемента, сначала определите известные степени окисления по правилам, затем обозначьте неизвестную величину буквой \(x\). Не забывайте умножать степень окисления на индекс элемента. После этого составьте уравнение по сумме степеней окисления.

Чем валентность отличается от степени окисления

Валентность и степень окисления связаны, но не совпадают. Валентность показывает число связей и записывается без знака. Степень окисления показывает условное распределение электронов и записывается со знаком. В молекуле \(\mathrm{HCl}\) водород одновалентен и имеет степень окисления \(+1\), хлор одновалентен и имеет \(-1\).

В молекуле кислорода \(\mathrm{O_2}\) каждый атом кислорода образует две связи в двойной связи, поэтому валентность кислорода — II, но степень окисления равна \(0\), поскольку это простое вещество. В пероксиде водорода \(\mathrm{H_2O_2}\) кислород также двухвалентен, однако его степень окисления равна \(-1\).

Применение в экзаменационных заданиях

В заданиях на классификацию неорганических соединений степень окисления помогает распознавать формулы оксидов, кислот, оснований и солей. Она также нужна при составлении названий веществ: если металл имеет несколько степеней окисления, её указывают в скобках, например железо(III) в \(\mathrm{Fe_2O_3}\). Подробное чтение названий связано со страницей «Номенклатура неорганических соединений».

При работе с номенклатурой оксидов сначала определяют степень окисления элемента, а затем выбирают правильное название. Для гидроксидов действует тот же приём: в \(\mathrm{Fe(OH)_3}\) группа \(\mathrm{OH^-}\) имеет заряд \(-1\), поэтому железо имеет \(+3\); это используется в названиях гидроксидов. Знание степеней окисления особенно важно и при разборе типов химической связи, которые изучают перед этой темой.