Ступінь окиснення

Ступінь окиснення
Розмірність	${\displaystyle 1}$
Символ величини (LaTeX)	${\displaystyle z}$
Ступінь окиснення у Вікісховищі

Сту́пінь оки́снення — умовний електростатичний заряд, який приписують атому в молекулі, припускаючи, що електронні пари, які утворюють зв'язок, повністю зміщені в бік більш електронегативних атомів (тобто вважаючи, що всі зв'язки даного атома мають 100% йонний характер). На відміну від валентності, яка позначає кількість утворюваних зв'язків і є натуральним числом, ступінь окиснення може мати позитивне, негативне, нульове або дробове значення.

Наприклад, у молекулі хлороводню HCl відбувається зміщення однієї електронної пари і ступінь окиснення для водню набуває значення +1, а для хлору -1. Що більше електронів переходять до іншого атома, то більшим стає ступінь окиснення. Загалом він може набувати значень від +8 (як для осмію в OsO₄) до -4 (кремній у Mg₂Si), однак кожен хімічний елемент має ряд характерних саме для нього значень ступеня окиснення. Атоми в найвищому ступені окислення можуть бути тільки окисниками, а в найнижчому — тільки відновниками.

Ступінь окиснення є суто формальною величиною, оскільки не описує характер взаємодії у зв'язку. Так, ступінь окиснення атома хлору в молекулах HCl та NaCl набуває в обох випадках значення -1, проте його ефективний заряд (справжній ступінь поляризації) є різним.

Визначення ступеня окиснення

Розподіл ступенів окиснення у хлораті кальцію:
Кисень має типове значення -2, для кальцію, як лужноземельного елемента, ступінь окиснення набуває значення +2, а для хлору, виходячи з правила нейтральності загального заряду, — +5

Визначення ступенів окиснення у молекулі базується на порівнянні значень електронегативності для атомів. Так, позитивні значення ступенів окиснення мають ті атоми, які віддали свої електрони іншим атомам (зв'язувальна електронна хмара зміщена від них), а негативні значення ступенів окиснення мають ті атоми, які приєднали електрони від інших атомів (зв'язувальна електронна хмара зміщена до них). Наприклад, у сполуці MgO хімічний елемент магній має позитивний ступінь окиснення +2, а кисень — негативний ступінь окиснення −2.

Враховуючи те, що більшість елементів має характерні ступені окиснення (це пов'язано з будовою їхніх електронних оболонок), можна вивести наступні правила обчислення ступенів окиснення:

1. алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх атомів у молекулі має дорівнювати нулю, у багатоатомних йонах сума ступенів окиснення всіх атомів дорівнює заряду йона.
2. для одноатомних йонів ступінь окиснення дорівнює заряду йона.
3. ступінь окиснення елементів у простих речовинах дорівнює нулю (за винятком озону).
4. ступінь окиснення лужних металів дорівнює +1 (за винятком простих речовин і алкалідів);
5. ступінь окиснення водню дорівнює +1 (в більшості сполук) або −1 (в гідридах), 0 в молекулі Н₂;
6. фтор в усіх сполуках має ступінь окиснення −1 (за винятком F₂);
7. ступінь окиснення кисню в сполуках, як правило, дорівнює −2. Виняток становлять фториди кисню (+2), сполуки діоксигеніл-іона О⁺
   ₂ (+1/2), кисень О₂ (0), пероксиди (−1), супероксиди (−1/2) та неорганічні озоніди (−1/3).

Просторова будова BeF₂

Часто ступінь окиснення не збігається із числом утворюваних зв'язків. Зокрема, для атома берилію у молекулі BeF₂ ступінь окиснення є рівним +2, тоді як його молекула є полімерною. Також варто пам'ятати, що фактичний заряд на атомі може не відповідати ступеню окиснення цього атома. Так, у амоній-іоні атом азоту має заряд +1, проте ступінь окиснення −3.

На письмі ступінь окиснення зазначається над символом елемента або вгорі праворуч від нього:

${\displaystyle \mathrm {{\overset {+1}{K}}{\overset {+7}{Mn}}{\overset {-2}{O_{4}}}} }$ або ${\displaystyle \mathrm {H_{2}^{+}O^{-2}} }$

Коли в тексті (не у формулі) необхідно позначити ступінь окиснення елемента, його записують одразу після символу або назви елемента без пробілів у круглих дужках. Наприклад: кисень(−2), О(−2), залізо(+3), Fe(+3) чи залізо(0), Fe(0).

Винятки

Атоми одного і того ж елемента можуть мати у сполуці різні ступені окиснення. Наприклад, в оксиді Fe₃O₄ залізо має ступені окиснення +2 і +3. При розв'язанні завдань, для яких має значення ступінь окиснення, його формулу можна записувати як Fe⁺²(Fe⁺³O₂)₂, представляючи у вигляді солі — ферату(III) заліза(II), або ж як FeO·Fe₂O₃ — у вигляді складного оксиду. Іншими поширеними прикладами є оксиди Pb₃O₄ та Mn₃O₄.

Ступінь окиснення в органічних речовинах

Розподіл ступенів окиснення у 5-гідроксицитозині

Поняття ступеня окиснення в органічній хімії використовується набагато рідше ніж в неорганічній. В органіці здебільшого прийнято оцінювати міру «окисненості» та «відновленості» сполуки за кількістю атомів кисню та водню в ній, відповідно. Однак, є кілька випадків, коли формалізм ступеня окиснення корисний і в органічній хімії: це реакції з перетворенням неорганічних сполук на органічні (і навпаки) та електрохімічні реакції (в яких варто знати кількість електронів, що беруть участь у кожній стадії процесу). В такому разі (на відміну від неорганічних сполук) найчастіше вираховують не середній ступінь окиснення елементу в сполуці, а ступінь окиснення кожного атома. При цьому вважається, що атом водню завжди має ступінь окиснення +1, а кисню — −2 (крім випадків перекисних сполук, в яких розглядають групу О²⁻
₂),^[1] а ступінь окиснення відповідного атома вуглецю вираховується, виходячи з принципу електронейтральності^[2].

Таким чином, найменший ступінь окиснення має атом вуглецю в метані C⁻⁴H₄, а найвищий — у діоксиді вуглецю C⁺⁴O₂ (продукті повного окиснення будь-якої органічної сполуки).

Для вуглеводнів ступінь окиснення атому вуглецю залежить від його зв'язності. В порядку зростання це:

• первинний атом вуглецю RC⁻³H₃
• вторинний атом вуглецю RR'C⁻²H₂
• третинний атом вуглецю RR'R"C⁻¹H
• четвертинний атом вуглецю RR'R"R'"C⁰

Для кисневмісних сполук ступінь окиснення атому вуглецю залежить як від його зв'язності, так і від порядку зв'язку вуглець—кисень. В порядку зростання це:

• первинні спирти RC⁻¹H₂OH
• вторинні спирти RR'C⁰HOH
• формальдегід HC⁰(O)H
• третинні спирти RR'R"C⁺¹OH
• альдегіди RC⁺¹(O)H
• кетони RC⁺²(O)R'
• мурашина (форміатна) кислота HC⁺²(O)OH
• карбонові кислоти RC⁺³(O)OH та їх похідні (наприклад естери RC(O)OR' або ангідриди RC(O)OC(O)R')

Див. також

• Рівень окиснення

Примітки

1. Правила обрахування ступенів окиснення інших гетероатомів набагато складніше і їх неможливо викласти в короткій статті. Варто тільки відмітити, що при цьому враховується, до якого класу сполук відноситься ця група.
2. Тобто зв'язок СС будь-якого порядку вважається повністю неполярним, і «початковий» ступінь окиснення атомів вуглецю в ньому рівний нулю.

Джерела

• Глінка М. Л. Загальна хімія : підручник. — 2-ге вид., перероб. і доп. — Київ : Вища школа, 1982. — 608 с.
• Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
• Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. — К., Ірпінь : ВТФ «Перун», 2004. — С. 100—102. — ISBN 966-569-106-6.