Современная формулировка Периодического закона, открытого Д. И. Менделеевым в 1869 г.:
Свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.
Периодически повторяющийся характер изменения состава электронной оболочки атомов элементов объясняет периодическое изменение свойств элементов при движении по периодам и группам Периодической системы.
Проследим, например, изменение высших и низших степеней окисления у элементов IA – VIIA-групп во втором – четвертом периодах по табл. 3.
Положительные степени окисления проявляют все элементы, за исключением фтора. Их значения увеличиваются с ростом заряда ядер и совпадают с числом электронов на последнем энергетическом уровне (за исключением кислорода). Эти степени окисления называют высшими степенями окисления. Например, высшая степень окисления фосфора Р равна +V.
Отрицательные степени окисления проявляют элементы, начиная с углерода С, кремния Si и германия Ge. Значения их равны числу электронов, недостающих до восьми. Эти степени окисления называют низшими степенями окисления. Например, у атома фосфора Р на последнем энергетическом уровне недостает трех электронов до восьми, значит, низшая степень окисления фосфора Р равна – III.
Значения высших и низших степеней окисления повторяются периодически, совпадая по группам; например, в IVA-группе углерод С, кремний Si и германий Ge имеют высшую степень окисления +IV, а низшую степень окисления – IV.
Эта периодичность изменения степеней окисления отражается на периодическом изменении состава и свойств химических соединений элементов.
Аналогично прослеживается периодическое изменение электроотрицательности элементов в 1-6-м периодах IA– VIIA-групп (табл. 4).
В каждом периоде Периодической системы электроотрицательность элементов увеличивается при возрастании порядкового номера (слева направо).
В каждой группе Периодической системы электроотрицательность уменьшается при возрастании порядкового номера (сверху вниз). Фтор F обладает наивысшей, а цезий Cs – наинизшей электроотрицательностью среди элементов 1-6-го периодов.
У типичных неметаллов – высокая электроотрицательность, а у типичных металлов – низкая.
Примеры заданий частей А, В1. В 4-м периоде число элементов равно
2. Металлические свойства элементов 3-го периода от Na до Сl
1) силиваются
2) ослабевают
3) не изменяются
4) не знаю
3. Неметаллические свойства галогенов с увеличением порядкового номера
1) возрастают
2) понижаются
3) остаются без изменений
4) не знаю
4. В ряду элементов Zn – Hg – Со – Cd один элемент, не входящий в группу, – это
5. Металлические свойства элементов повышаются по ряду
1) In – Ga – Al
2) К – Rb – Sr
3) Ge – Ga – Tl
4) Li – Be – Mg
6. Неметаллические свойства в ряду элементов Аl – Si – С – N
1) увеличиваются
2) уменьшаются
3) не изменяются
4) не знаю
7. В ряду элементов О – S – Se – Те размеры (радиусы) атома
1) уменьшаются
2) увеличиваются
3) не изменяются
4) не знаю
8. В ряду элементов Р – Si – Аl – Mg размеры (радиусы) атома
1) уменьшаются
2) увеличиваются
3) не изменяются
4) не знаю
9. Для фосфора элемент с меньшей электроотрицательностью – это
10. Молекула, в которой электронная плотность смещена к атому фосфора, – это
11. Высшая степень окисления элементов проявляется в наборе оксидов и фторидов
1) СlO 2 , РСl 5 , SeCl 4 , SO 3
2) PCl, Аl 2 O 3 , КСl, СО
3) SeO 3 , ВСl 3 , N 2 O 5 , СаСl 2
4) AsCl 5 , SeO 2 , SCl 2 , Cl 2 O 7
12. Низшая степень окисления элементов – в их водородных соединениях и фторидах набора
1) ClF 3 , NH 3 , NaH, OF 2
2) H 3 S + , NH+, SiH 4 , H 2 Se
3) CH 4 , BF 4 , H 3 O + , PF 3
4) PH 3 , NF+, HF 2 , CF 4
13. Валентность для многовалентного атома одинакова в ряду соединений
1) SiH 4 – AsH 3 – CF 4
2) РН 3 – BF 3 – ClF 3
3) AsF 3 – SiCl 4 – IF 7
4) H 2 O – BClg – NF 3
14. Укажите соответствие между формулой вещества или иона и степенью окисления углерода в них
Валентность не учитывает электроотрицательность атомов, соседних с данным, и не имеет знака. Но в соединении электроны, образующие химическую связь, смещены к атому, имеющему большую электрсотрицательность, и, следовательно, данный атом приобретает определенный заряд.
Для характеристики атома в молекуле введено понятие о степени окисления. Степень окисления отдельных атомов, образующих молекулу, получается, если заряды атомов распределяются так, что их валентные электроны оказываются принадлежащими более электроотрицательному из них. Иначе: степень окисления атома в молекуле есть тот электрический заряд, который мог бы возникнуть у атома, если бы общая электронная пара двух атомов различных элементов была бы полностью смещена к более электроотрицательному атому. А электронная пара, принадлежащая двум атомам одного и того же элемента, была бы поделена пополам.
Степень окисления (английский термин oxidation number буквально - «окислительное число») выражает величину электрического заряда данного атома и основывается на предположении, что электроны в каждой связи в молекуле (или ионе) полностью принадлежат более электроотрицательному атому. В качестве синонима к термину «окислительное число атомов» встречается название «электрохимическая валентность». Таким образом, под степенью окисления атомов в соединениях понимается заряд иона элемента, вычисленный исходя из допущения, что молекула состоит только из ионов.
Кислород в соединениях проявляет главным образом степень окисления, равную -2(в и пероксидах степень окисления кислорода равна +2 и -1). Для водорода характерна степень окисления +1, но встречается -1 (в гидридах металлов).
Принимая во внимание, что молекулы электронейтральны, легко определить степень окисления элементов в них. Так, например, в соединениях и степени окисления серы равны соответственно -2, +4 и +6;марганец в имеет степени окисления +7, +6, +4 и +2. Хлор в виде простого вещества и в соединениях с другими элементами проявляет соответственно следующие степени окисления: 0, -1, +1, +3, +4, +5, +6, +7.
Если молекула образована за счет ковалентной связи, как, например, , степень окисления более электроотрицательного атома обозначается со знаком минус, а менее электроотрицательного атома - со знаком плюс.
Так, в степень окисления серы +4, а кислорода -2.
Степень окисления элемента в свободном состоянии, т. е. в виде простых веществ, равна нулю, например . В соединениях и степень окисления соответственно равна +5, +6. В ионе аммония ковалентность атома азота равна 4, а степень окисления -3.
Для комплексных соединений обычно указывают степень окисления центрального иона. Например, в и степень окисления железа равна +3, никеля +2 и платины +4.
Степень окисления может быть и дробным числом; так, например, если в и для кислорода она равна -2 и -1, то в и она соответственно и .
Степень окисления нередко не равна валентности данного элемента. Например, степень окисления селена в виде простого вещества равна 0, валентность в основном состоянии равна 2, а в возбужденном может быть 2, 4 и 6.
В органических соединениях - метане , метиловом спирте , формальдегиде , муравьиной кислоте НСООН, а также в двуокиси углерода степени окисления углерода соответственно -4, -2, 0, +2, +4, тогда как валентность углерода во всех указанных веществах равна четырем.
Понятие о степени окисления, хотя и является формальным и часто не характеризует настоящее состояние атомов в соединениях, тем не менее очень полезно и удобно при классификации различных веществ и при рассмотрении окислительно-восстановительных процессов. Зная степень окисления атома данного элемента в соединении, можно определить, восстановителем или окислителем является это соединение. Так, например, элементы шестой главной подгруппы - сера, селен и теллур в своей высшей степени окисления +6 в соединениях являются только окислителями (и относительно сильными).
В отличие от атомов в степени окисления +6, атомы элементов в промежуточной степени +4 в соединениях типа могут быть в зависимости от условий как восстановителями, так и окислителями, при этом является главным образом восстановителем.
Сера, селен и теллур в низшей степени окисления -2 в соединениях и проявляют только восстановительные свойства. Таким образом, мы видим, что рассмотренные атомы элементов в степени окисления +6 проявляют аналогичные свойства и значительно отличаются от атомов, находящихся в степени окисления +4 или тем более в степени -2. Это относится к другим главным и побочным подгруппам периодической системы Д. И. Менделеева, в которых элементы проявляют различную степень окисления.
Понятие о степени окисления особенно плодотворно при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций. Окисление какого-либо атома в молекуле характеризуется повышением его степени окисления и наоборот восстановление атома - уменьшением его степени окисления (см. схему).
Химического элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный тип.
Степени окисления могут иметь положительное, отрицательное или нулевое значение, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, а в ионе - заряду иона .
1. Степени окисления металлов в соединениях всегда положительные.
2. Высшая степень окисления соответствует номеру группы периодической системы, где находится данный элемент (исключение составляют: Au +3 (I группа), Cu +2 (II), из VIII группы степень окисления +8 может быть только у осмия Os и рутения Ru .
3. Степени окисления неметаллов зависят от того, с каким атомом он соединён:
- если с атомом металла, то степень окисления отрицательная;
- если с атомом неметалла то степень окисления может быть и положительная, и отрицательная. Это зависит от электроотрицательности атомов элементов.
4. Высшую отрицательную степень окисления неметаллов можно определить вычитанием из 8 номера группы, в которой находится данный элемент, т.е. высшая положительная степень окисления равна числу электронов на внешнем слое, которое соответствует номеру группы.
5. Степени окисления простых веществ равны 0, независимо от того металл это или неметалл.
Элементы с неизменными степенями окисления.
|
Элемент |
Характерная степень окисления |
Исключения |
|
Гидриды металлов: LIH -1 |
||
|
Степенью окисления называют условный заряд частицы в предположении, что связь полностью разорвана (имеет ионных характер). H - Cl = H + + Cl - , Связь в соляной кислоте ковалентная полярная. Электронная пара в большей степени смещена в сторону атома Cl - , т.к. он более электроотрицацельный элемент. Как определить степень окисления?Электроотрицательность - это способность атомов притягивать к себе электроны других элементов. Степень окисления указывается над элементом: Br 2 0 , Na 0 , O +2 F 2 -1 , K + Cl - и т.д. Она может быть отрицательной и положительной. Степень окисления простого вещества (несвязанное, свободное состояние) равна нулю. Степень окисления кислорода у большинстве соединений равна -2 (исключение составляют пероксиды Н 2 О 2 , где она равна -1 и соединения с фтором - O +2 F 2 -1 , O 2 +1 F 2 -1 ). - Степень окисления простого одноатомного иона равна его заряду: Na + , Ca +2 . Водород в своих соединениях имеет степень окисления равную +1 (исключения составляют гидриды - Na + H - и соединения типа C +4 H 4 -1 ). В связях «металл-неметалл» отрицательную степень окисления имеет тот атом, который обладает большей электрооприцательностью (данные об элеткроотрицательности приведены в шкале Полинга): H + F - , Cu + Br - , Ca +2 (NO 3 ) - и т.д. Правила определения степени окисления в химических соединениях.Возьмем соединение KMnO 4 , необходимо определить степень окисления у атома марганца. Рассуждения:
К + Mn X O 4 -2 Пусть Х - неизвестная нам степень окисления марганца. Количество атомов калия - 1, марганца - 1, кислорода - 4. Доказано, что молекула в целом электронейтральна, поэтому ее общий заряд должен быть равен нулю. 1*(+1) + 1*(X ) + 4(-2) = 0, Х = +7, Значит, степень окисления марганца в перманганате калия = +7. Возьмем другой пример оксида Fe 2 O 3 . Необходимо определить степень окисления атома железа. Рассуждение:
2*(Х) + 3*(-2) = 0, Вывод: степень окисления железа в данном оксиде равна +3. Примеры. Определить степени окисления всех атомов в молекуле. 1. K 2 Cr 2 O 7 . Степень окисления К +1 , кислорода О -2 . Учитывая индексы: О=(-2)×7=(-14), К=(+1)×2=(+2). Т.к. алгебраическая сумма степеней окисления элементов в молекуле с учётом числа их атомов равна 0, то число положительных степеней окисления равно числу отрицательных. Степени окисления К+О=(-14)+(+2)=(-12). Из этого следует, что у атома хрома число положительных степеней равно 12, но атомов в молекуле 2, значит на один атом приходится (+12):2=(+6). Ответ: К 2 + Cr 2 +6 O 7 -2 . 2. (AsO 4) 3- . В данном случае сумма степеней окисления будет равна уже не нулю, а заряду иона, т. е. - 3. Составим уравнение: х+4×(- 2)= - 3 . Ответ: (As +5 O 4 -2) 3- . |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Степень окисления - это количественная оценка состояния атома химического элемента в соединении, основанная на его электроотрицательности.
Она принимает как положительные, так и отрицательные значения. Чтобы указать степень окисления элемента в соединении нужно поставить сверху над его символом арабскую цифру с соответствующим знаком («+» или «-»).
Следует помнить, что степень окисления — величина, не имеющая физического смысла, так как не отражает реальный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.
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 (N 2 , H 2 , Cl 2).
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 +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .
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:
|
Порядковый номер |
Русское / англ. название |
Химический символ |
Степень окисления |
|
Водород / Hydrogen |
|||
|
Гелий / Helium |
|||
|
Литий / Lithium |
|||
|
Бериллий / Beryllium |
|||
|
(-1), 0, (+1), (+2), (+3) |
|||
|
Углерод / Carbon |
(-4), (-3), (-2), (-1), 0, (+2), (+4) |
||
|
Азот / Nitrogen |
(-3), (-2), (-1), 0, (+1), (+2), (+3), (+4), (+5) |
||
|
Кислород / Oxygen |
(-2), (-1), 0, (+1), (+2) |
||
|
Фтор / Fluorine |
|||
|
Натрий / Sodium |
|||
|
Магний / Magnesium |
|||
|
Алюминий / Aluminum |
|||
|
Кремний / Silicon |
(-4), 0, (+2), (+4) |
||
|
Фосфор / Phosphorus |
(-3), 0, (+3), (+5) |
||
|
Сера / Sulfur |
(-2), 0, (+4), (+6) |
||
|
Хлор / Chlorine |
(-1), 0, (+1), (+3), (+5), (+7), редко (+2) и (+4) |
||
|
Аргон / Argon |
|||
|
Калий / Potassium |
|||
|
Кальций / Calcium |
|||
|
Скандий / Scandium |
|||
|
Титан / Titanium |
(+2), (+3), (+4) |
||
|
Ванадий / Vanadium |
(+2), (+3), (+4), (+5) |
||
|
Хром / Chromium |
(+2), (+3), (+6) |
||
|
Марганец / Manganese |
(+2), (+3), (+4), (+6), (+7) |
||
|
Железо / Iron |
(+2), (+3), редко (+4) и (+6) |
||
|
Кобальт / Cobalt |
(+2), (+3), редко (+4) |
||
|
Никель / Nickel |
(+2), редко (+1), (+3) и (+4) |
||
|
Медь / Copper |
+1, +2, редко (+3) |
||
|
Галлий / Gallium |
(+3), редко (+2) |
||
|
Германий / Germanium |
(-4), (+2), (+4) |
||
|
Мышьяк / Arsenic |
(-3), (+3), (+5), редко (+2) |
||
|
Селен / Selenium |
(-2), (+4), (+6), редко (+2) |
||
|
Бром / Bromine |
(-1), (+1), (+5), редко (+3), (+4) |
||
|
Криптон / Krypton |
|||
|
Рубидий / Rubidium |
|||
|
Стронций / Strontium |
|||
|
Иттрий / Yttrium |
|||
|
Цирконий / Zirconium |
(+4), редко (+2) и (+3) |
||
|
Ниобий / Niobium |
(+3), (+5), редко (+2) и (+4) |
||
|
Молибден / Molybdenum |
(+3), (+6), редко (+2), (+3) и (+5) |
||
|
Технеций / Technetium |
|||
|
Рутений / Ruthenium |
(+3), (+4), (+8), редко (+2), (+6) и (+7) |
||
|
Родий / Rhodium |
(+4), редко (+2), (+3) и (+6) |
||
|
Палладий / Palladium |
(+2), (+4), редко (+6) |
||
|
Серебро / Silver |
(+1), редко (+2) и (+3) |
||
|
Кадмий / Cadmium |
(+2), редко (+1) |
||
|
Индий / Indium |
(+3), редко (+1) и (+2) |
||
|
Олово / Tin |
(+2), (+4) |
||
|
Сурьма / Antimony |
(-3), (+3), (+5), редко (+4) |
||
|
Теллур / Tellurium |
(-2), (+4), (+6), редко (+2) |
||
|
(-1), (+1), (+5), (+7), редко (+3), (+4) |
|||
|
Ксенон / Xenon |
|||
|
Цезий / Cesium |
|||
|
Барий / Barium |
|||
|
Лантан / Lanthanum |
|||
|
Церий / Cerium |
(+3), (+4) |
||
|
Празеодим / Praseodymium |
|||
|
Неодим / Neodymium |
(+3), (+4) |
||
|
Прометий / Promethium |
|||
|
Самарий / Samarium |
(+3), редко (+2) |
||
|
Европий / Europium |
(+3), редко (+2) |
||
|
Гадолиний / Gadolinium |
|||
|
Тербий / Terbium |
(+3), (+4) |
||
|
Диспрозий / Dysprosium |
|||
|
Гольмий / Holmium |
|||
|
Эрбий / Erbium |
|||
|
Тулий / Thulium |
(+3), редко (+2) |
||
|
Иттербий / Ytterbium |
(+3), редко (+2) |
||
|
Лютеций / Lutetium |
|||
|
Гафний / Hafnium |
|||
|
Тантал / Tantalum |
(+5), редко (+3), (+4) |
||
|
Вольфрам / Tungsten |
(+6), редко (+2), (+3), (+4) и (+5) |
||
|
Рений / Rhenium |
(+2), (+4), (+6), (+7), редко (-1), (+1), (+3), (+5) |
||
|
Осмий / Osmium |
(+3), (+4), (+6), (+8), редко (+2) |
||
|
Иридий / Iridium |
(+3), (+4), (+6), редко (+1) и (+2) |
||
|
Платина / Platinum |
(+2), (+4), (+6), редко (+1) и (+3) |
||
|
Золото / Gold |
(+1), (+3), редко (+2) |
||
|
Ртуть / Mercury |
(+1), (+2) |
||
|
Талий / Thallium |
(+1), (+3), редко (+2) |
||
|
Свинец / Lead |
(+2), (+4) |
||
|
Висмут / Bismuth |
(+3), редко (+3), (+2), (+4) и (+5) |
||
|
Полоний / Polonium |
(+2), (+4), редко (-2) и (+6) |
||
|
Астат / Astatine |
|||
|
Радон / Radon |
|||
|
Франций / Francium |
|||
|
Радий / Radium |
|||
|
Актиний / Actinium |
|||
|
Торий / Thorium |
|||
|
Проактиний / Protactinium |
|||
|
Уран / Uranium |
(+3), (+4), (+6), редко (+2) и (+5) |
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
- Степень окисления фосфора в фосфине равна (-3), а в ортофосфорной кислоте - (+5). Изменение степени окисления фосфора: +3 → +5, т.е. первый вариант ответа.
- Степень окисления химического элемента в простом веществе равна нулю. Степень окисления фосфора в оксиде состава P 2 O 5 равна (+5). Изменение степени окисления фосфора: 0 → +5, т.е. третий вариант ответа.
- Степень окисления фосфора в кислоте состава HPO 3 равна (+5), а H 3 PO 2 — (+1). Изменение степени окисления фосфора: +5 → +1, т.е. пятый вариант ответа.
ПРИМЕР 2
| Задание | Степень окисления (-3) углерод имеет в соединении: а) CH 3 Cl; б) C 2 H 2 ; в) HCOH; г) C 2 H 6 . |
| Решение | Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем поочередно определять степень окисления углерода в каждом из предложенных соединений.
а) степень окисления водорода равна (+1), а хлора - (-1). Примем за «х» степень окисления углерода: x + 3×1 + (-1) =0; Ответ неверный. б) степень окисления водорода равна (+1). Примем за «у» степень окисления углерода: 2×у + 2×1 = 0; Ответ неверный. в) степень окисления водорода равна (+1), а кислорода - (-2). Примем за «z» степень окисления углерода: 1 + z + (-2) +1 = 0: Ответ неверный. г) степень окисления водорода равна (+1). Примем за «a» степень окисления углерода: 2×а + 6×1 = 0; Верный ответ. |
| Ответ | Вариант (г) |