Страница 162 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что общего между ковалентной и металлической связями и чем они различаются?

Ковалентная и металлическая связи — это два фундаментальных типа химических связей, которые определяют структуру и свойства множества веществ. У них есть как общие черты, так и существенные различия.

Что общего

• Электростатическая природа: В основе обеих связей лежит сила электростатического притяжения. В ковалентной связи это притяжение между отрицательно заряженными общими электронами и положительно заряженными ядрами связанных атомов. В металлической связи — это притяжение между положительными ионами металлов в кристаллической решетке и общим «облаком» делокализованных электронов.
• Участие валентных электронов: Обе связи образуются при участии валентных электронов, то есть электронов, находящихся на внешних энергетических уровнях атомов.
• Обобществление электронов: Это ключевое сходство. И в том, и в другом случае электроны перестают принадлежать одному атому и становятся общими для нескольких атомных ядер, что приводит к образованию более устойчивой, низкоэнергетической системы.

Чем они различаются

1. Локализация электронов:
   • При ковалентной связи электроны локализованы, то есть они обобществлены строго между двумя (или иногда несколькими) атомами, образуя конкретную электронную пару. Это приводит к образованию отдельных молекул (например, $H_2O$, $CH_4$) или гигантских атомных структур (алмаз).
   • При металлической связи электроны делокализованы. Они свободно перемещаются по всему объему кристалла, образуя так называемый «электронный газ», и принадлежат одновременно всем атомам решетки.
2. Направленность:
   • Ковалентная связь является направленной. Она существует в определённом направлении в пространстве, что обуславливает строгую геометрию молекул и кристаллов.
   • Металлическая связь является ненаправленной. Силы притяжения действуют равномерно во всех направлениях между ионами и «электронным газом», что позволяет слоям атомов смещаться друг относительно друга без разрыва связи.
3. Типы взаимодействующих атомов:
   • Ковалентная связь, как правило, образуется между атомами неметаллов.
   • Металлическая связь характерна для атомов металлов.
4. Физические свойства веществ:
   • Из-за локализации электронов и направленности связей, вещества с ковалентной связью чаще всего являются газами, жидкостями или хрупкими твердыми телами, которые плохо проводят электрический ток (диэлектрики).
   • Из-за делокализованных электронов вещества с металлической связью (металлы) обладают высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, ковкостью и характерным металлическим блеском.

Ответ: Общее между ковалентной и металлической связями заключается в их электростатической природе и образовании за счет обобществления валентных электронов. Различия заключаются в характере этого обобществления и свойствах связи: в ковалентной связи электроны локализованы между парой атомов и связь направлена, а в металлической — электроны делокализованы по всему кристаллу и связь ненаправленная. Это приводит к кардинальным различиям в физических свойствах образуемых ими веществ.

2. Что общего между ионной и металлической связями и чем они различаются?

Общие черты ионной и металлической связей

Ионная и металлическая химические связи имеют несколько фундаментальных сходств, которые обусловлены их электростатической природой.

1. Электростатическое притяжение. В основе обоих типов связи лежит сила кулоновского притяжения между противоположно заряженными частицами. В случае ионной связи это притяжение между положительно заряженными ионами (катионами) и отрицательно заряженными ионами (анионами). В металлической связи это притяжение между катионами металлов и общим "облаком" отрицательно заряженных свободных электронов.

2. Образование кристаллической решетки. Вещества как с ионным, так и с металлическим типом связи в твердом состоянии образуют упорядоченную трехмерную структуру — кристаллическую решетку. В узлах обеих решеток находятся положительно заряженные ионы (катионы).

3. Ненаправленность и ненасыщаемость. Электростатическое поле, создаваемое ионом или электронным облаком, сферически симметрично. Поэтому связь не имеет строго определенного направления в пространстве (ненаправленность) и каждый ион может взаимодействовать с несколькими соседними частицами (ненасыщаемость). Это отличает их от ковалентной связи, которая является направленной и насыщаемой.

Ответ: Общим для ионной и металлической связей является их электростатическая природа (притяжение между разноименными зарядами), образование кристаллической решетки с катионами в узлах, а также свойства ненаправленности и ненасыщаемости.

Различия между ионной и металлической связями

Несмотря на общие черты, существуют ключевые различия, которые определяют уникальные свойства ионных и металлических веществ.

1. Природа отрицательно заряженных частиц и состояние электронов.

- В ионной связи отрицательный заряд несут анионы — это конкретные атомы неметаллов, которые приняли электроны от атомов металлов (например, ион $Cl^-$ в соли $NaCl$). Электроны полностью передаются и жестко локализуются на анионах.

- В металлической связи роль носителей отрицательного заряда выполняют валентные электроны, которые отрываются от своих атомов и становятся общими для всего кристалла. Они образуют подвижный "электронный газ", который свободно перемещается между катионами. Электроны делокализованы.

2. Электропроводность.

- Ионные соединения в твердом виде являются диэлектриками, так как ионы зафиксированы в решетке и нет свободных носителей заряда. Они проводят ток только в расплавленном или растворенном состоянии, когда ионы становятся подвижными.

- Металлы являются отличными проводниками электричества как в твердом, так и в жидком состоянии благодаря наличию свободных, подвижных электронов.

3. Механические свойства (пластичность).

- Ионные кристаллы очень хрупкие. При механическом сдвиге слоев решетки одноименно заряженные ионы оказываются друг напротив друга, что вызывает сильное электростатическое отталкивание и приводит к разрушению кристалла.

- Металлы, наоборот, пластичны (ковки, тягучи). При сдвиге слоев катионов "электронный газ" продолжает выполнять роль связующего "клея", не давая кристаллу разрушиться. Связь легко перестраивается, что позволяет металлу деформироваться без разрыва.

4. Типы взаимодействующих атомов.

- Ионная связь возникает между атомами с большой разницей в электроотрицательности, как правило, между типичным металлом (например, $Na$, $K$, $Ca$) и типичным неметаллом (например, $F$, $Cl$, $O$).

- Металлическая связь реализуется между атомами одного и того же металла или в сплавах нескольких металлов, которые характеризуются низкой электроотрицательностью и способностью легко отдавать валентные электроны.

Ответ: Главные различия заключаются в природе отрицательно заряженных частиц: в ионной связи это локализованные анионы, а в металлической — делокализованный "электронный газ". Это фундаментальное различие приводит к противоположным физическим свойствам: ионные соединения хрупкие и являются диэлектриками в твердом состоянии, в то время как металлы пластичны и являются проводниками электричества.

3. Определите тип химической связи в веществах:

а) $Ca$;

б) $CaCl_2$;

в) $Cl_2$;

г) $HCl$.

а) Ca; Кальций (Ca) — это простое вещество, являющееся металлом. Связь в металлах и их сплавах осуществляется за счет электростатического взаимодействия между положительно заряженными ионами металлов в узлах кристаллической решетки и обобществленными электронами, которые свободно перемещаются по всему объему кристалла ("электронный газ"). Такой тип связи называется металлической.
Ответ: металлическая связь.

б) CaCl₂; Хлорид кальция ($CaCl_2$) — это соединение, которое образовано атомами типичного металла (кальций, Ca) и типичного неметалла (хлор, Cl). Между атомами этих элементов наблюдается большая разница в электроотрицательности. Атом кальция (элемент II группы) отдает два своих валентных электрона, превращаясь в положительно заряженный ион (катион) $Ca^{2+}$. Каждый из двух атомов хлора (элемент VII группы) принимает по одному электрону, превращаясь в отрицательно заряженные ионы (анионы) $Cl^{-}$. Связь, которая возникает в результате электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами, называется ионной.
Ответ: ионная связь.

в) Cl₂; Молекула хлора ($Cl_2$) образована двумя одинаковыми атомами неметалла. Так как атомы одинаковы, их электроотрицательность также одинакова. Химическая связь возникает за счет образования общей электронной пары, которая располагается симметрично относительно ядер обоих атомов. Связь, образованная между атомами одного и того же химического элемента-неметалла, называется ковалентной неполярной.
Ответ: ковалентная неполярная связь.

г) HCl. Молекула хлороводорода ($HCl$) образована атомами двух разных неметаллов — водорода (H) и хлора (Cl). Электроотрицательность этих элементов различна (у хлора она значительно выше, чем у водорода). Вследствие этого общая электронная пара, формирующая связь, смещена к более электроотрицательному атому хлора. Это приводит к появлению на атоме хлора частичного отрицательного заряда (${\delta-}$), а на атоме водорода — частичного положительного заряда (${\delta+}$). Связь между атомами разных неметаллов с разной электроотрицательностью называется ковалентной полярной.
Ответ: ковалентная полярная связь.

4. Выразите своё отношение к утверждению о том, что все типы химической связи имеют единую физическую природу.

Я полностью согласен с утверждением, что все типы химической связи имеют единую физическую природу. Эта единая природа заключается в электростатическом взаимодействии между заряженными частицами, из которых состоят атомы: положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Вне зависимости от типа связи, атомы удерживаются вместе силами кулоновского притяжения.

Образование любой химической связи — это процесс, в результате которого общая энергия системы (молекулы, кристалла) становится ниже, чем суммарная энергия изолированных атомов. Это делает образовавшуюся структуру более устойчивой. Движущей силой этого процесса является именно электростатическое взаимодействие: силы притяжения между ядрами и электронами преобладают над силами отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Разделение на различные типы связи является в некоторой степени условным и отражает лишь разные модели распределения электронной плотности валентных электронов, которые и определяют характер взаимодействия. Так, при ионной связи происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому, что приводит к образованию противоположно заряженных ионов, притягивающихся друг к другу. При ковалентной связи атомы обобществляют электронные пары, и возникшая между ядрами область повышенной электронной плотности притягивает оба ядра. В случае металлической связи валентные электроны обобществляются всеми атомами кристалла, образуя "электронный газ", который связывает положительные ионы металла в единую структуру.

Таким образом, все эти типы являются различными проявлениями одного и того же фундаментального физического принципа. "Чистые" типы связи являются идеализациями, а на практике существует непрерывный переход между ними (например, полярная ковалентная связь как промежуточная между ковалентной и ионной), что еще раз подтверждает их общую природу.

Ответ: Утверждение о единой физической природе всех типов химической связи является верным. Основой любой химической связи служит электростатическое (кулоновское) взаимодействие между положительно заряженными ядрами атомов и отрицательно заряженными электронами. Различие между типами связи (ионной, ковалентной, металлической) заключается лишь в характере распределения электронов между взаимодействующими атомами.

5. Запишите формулы и укажите вид химической связи для следующих веществ:

а) поваренная соль;

б) серебро;

в) магний;

г) углекислый газ;

д) вода;

е) азот.

а) поваренная соль

Поваренная соль – это хлорид натрия. Химическая формула – $NaCl$. Связь образуется между атомом типичного металла (натрий, $Na$) и атомом типичного неметалла (хлор, $Cl$). Атом натрия отдает один электрон атому хлора, в результате чего образуются ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Связь, возникающая за счет электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами, называется ионной.

Ответ: Формула – $NaCl$, вид химической связи – ионная.

б) серебро

Серебро – это простое вещество, металл. Химическая формула – $Ag$. В кристалле серебра атомы связаны металлической связью. Этот вид связи образуется за счет обобществления валентных электронов всех атомов, которые свободно перемещаются по всему объему кристалла ("электронный газ"), связывая положительно заряженные ионы металла в узлах кристаллической решетки.

Ответ: Формула – $Ag$, вид химической связи – металлическая.

в) магний

Магний – это щелочноземельный металл. Химическая формула – $Mg$. Как и в любом металле, атомы магния в кристаллической решетке связаны между собой металлической связью, которая обусловлена наличием обобществленных электронов, свободно движущихся между катионами магния $Mg^{2+}$.

Ответ: Формула – $Mg$, вид химической связи – металлическая.

г) углекислый газ

Углекислый газ (диоксид углерода) – это соединение, состоящее из одного атома углерода ($C$) и двух атомов кислорода ($O$). Химическая формула – $CO_2$. Связь образуется между атомами двух разных неметаллов. Электроотрицательность кислорода выше, чем у углерода, поэтому общие электронные пары смещены в сторону атомов кислорода. Такая связь называется ковалентной полярной.

Ответ: Формула – $CO_2$, вид химической связи – ковалентная полярная.

д) вода

Вода – это соединение, состоящее из двух атомов водорода ($H$) и одного атома кислорода ($O$). Химическая формула – $H_2O$. Связь образуется между атомами разных неметаллов. Электроотрицательность кислорода значительно выше, чем у водорода. Поэтому общие электронные пары в связях $O-H$ сильно смещены к атому кислорода. Это ковалентная полярная связь.

Ответ: Формула – $H_2O$, вид химической связи – ковалентная полярная.

е) азот

Азот в свободном состоянии существует в виде двухатомных молекул. Химическая формула – $N_2$. Связь в молекуле азота образуется между двумя одинаковыми атомами неметалла. Электроотрицательность атомов одинакова, поэтому электронные пары не смещаются ни к одному из атомов. Такая связь называется ковалентной неполярной. В молекуле азота атомы связаны тройной связью ($N \equiv N$).

Ответ: Формула – $N_2$, вид химической связи – ковалентная неполярная.

б. Запишите по одной схеме образования ионной, ковалентной полярной и неполярной, металлической связей для веществ, перечисленных в предыдущем задании.

Ионная связь (на примере поваренной соли, NaCl)

Ионная связь образуется между атомами с большой разницей в электроотрицательности, как правило, между типичным металлом и типичным неметаллом. Механизм образования заключается в полной передаче одного или нескольких валентных электронов от атома металла к атому неметалла. В результате атом металла становится положительно заряженным ионом (катионом), а атом неметалла — отрицательно заряженным ионом (анионом). Образовавшиеся ионы притягиваются друг к другу за счет электростатических сил.

В качестве примера рассмотрим образование поваренной соли (хлорида натрия, $NaCl$). Атом натрия ($Na$), находящийся в I группе, имеет 1 валентный электрон. Атом хлора ($Cl$), находящийся в VII группе, имеет 7 валентных электронов.

• Атом натрия отдает свой электрон: $Na^0 - 1e^- \rightarrow Na^+$
• Атом хлора принимает этот электрон, завершая свой внешний уровень до 8 электронов: $Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^-$

Общая схема образования ионной связи в $NaCl$ с помощью электронных символов Льюиса выглядит так:

$Na \cdot \quad + \quad \cdot\ddot{Cl}: \quad \rightarrow \quad [Na]^+[:\ddot{Cl}:]^-$

Возникшие ионы $Na^+$ и $Cl^-$ образуют ионную кристаллическую решетку.

Ответ: Схема образования ионной связи в NaCl: $Na \cdot + \cdot\ddot{Cl}: \rightarrow [Na]^+[:\ddot{Cl}:]^-$.

Ковалентная полярная связь (на примере воды, H₂O)

Ковалентная полярная связь образуется между атомами разных неметаллов. Атомы объединяют свои валентные электроны для создания общих электронных пар. Из-за разной электроотрицательности атомов общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома.

Рассмотрим образование молекулы воды ($H_2O$). Атом кислорода ($O$) имеет 6 валентных электронов, а каждый из двух атомов водорода ($H$) — по одному. Электроотрицательность кислорода (3.44) значительно выше электроотрицательности водорода (2.20).

Атом кислорода образует две общие электронные пары с двумя атомами водорода. В результате атом кислорода достигает октета (8 электронов), а каждый атом водорода — дублета (2 электрона).

Схема образования связи:

$H \cdot \quad + \quad \cdot\ddot{O}\cdot \quad + \quad \cdot H \quad \rightarrow \quad H:\ddot{O}:H$

Так как общие электронные пары смещены к атому кислорода, на нем возникает частичный отрицательный заряд ($ \delta- $), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($ \delta+ $).

Ответ: Схема образования ковалентной полярной связи в H₂O: $2 H\cdot + \cdot\ddot{O}\cdot \rightarrow H:\ddot{O}:H$.

Ковалентная неполярная связь (на примере азота, N₂)

Ковалентная неполярная связь возникает между атомами одного и того же химического элемента-неметалла. В этом случае электроотрицательность атомов одинакова, и общие электронные пары не смещены ни к одному из них, находясь на равном удалении от ядер.

В молекуле азота ($N_2$) два атома азота. Каждый атом азота ($N$) имеет 5 валентных электронов. Для завершения внешнего электронного слоя до октета каждому атому не хватает 3 электронов.

Для этого два атома азота образуют три общие электронные пары, то есть тройную связь.

Схема образования связи:

$:\dot{N}\cdot \quad + \quad \cdot\dot{N}: \quad \rightarrow \quad :N \equiv N:$

Электронные пары распределены симметрично, поэтому связь является неполярной.

Ответ: Схема образования ковалентной неполярной связи в N₂: $:\dot{N}\cdot + \cdot\dot{N}: \rightarrow :N \equiv N:$.

Металлическая связь (на примере магния, Mg)

Металлическая связь характерна для простых веществ-металлов и их сплавов. Она образуется за счет того, что атомы металлов отдают свои валентные электроны, которые становятся общими для всего кристалла.

Схема образования такой связи выглядит следующим образом: атомы металла теряют валентные электроны, превращаясь в катионы. Эти катионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Отданные электроны свободно и хаотично движутся между катионами, образуя так называемый "электронный газ". Металлическая связь — это сила притяжения между положительными ионами в решетке и отрицательным "электронным газом".

В кристалле магния ($Mg$), металла II группы, каждый атом отдает 2 валентных электрона:

$Mg^0 - 2e^- \rightleftarrows Mg^{2+}$

Кристалл магния состоит из ионов $Mg^{2+}$ и обобществленных электронов, которые связывают эти ионы в единую структуру.

Ответ: Схема образования металлической связи в Mg: атомы магния отдают валентные электроны ($Mg^0 - 2e^- \rightleftarrows Mg^{2+}$), формируя кристаллическую решетку из катионов $Mg^{2+}$, связанных общим "электронным газом".

7. Какое количество вещества соответствует 96 кг меди?

Дано:

Масса меди $m = 96$ кг
Вещество - медь (Cu)

Для решения задачи необходима молярная масса меди, которую можно найти в периодической таблице химических элементов. Округлим значение до целых: $M(\text{Cu}) \approx 64$ г/моль.

Перевод всех данных в систему СИ:
Масса $m$ уже дана в единицах СИ.
Молярную массу переведем в кг/моль: $M = 64 \text{ г/моль} = 64 \cdot 10^{-3}$ кг/моль.

Найти:

Количество вещества $\nu$ - ?

Решение:

Количество вещества ($\nu$) связано с массой вещества ($m$) и его молярной массой ($M$) следующей формулой:

$\nu = \frac{m}{M}$

Все необходимые данные у нас есть, и они приведены к единицам измерения системы СИ. Подставим значения в формулу:

$\nu = \frac{96 \text{ кг}}{64 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}}$

Выполним вычисления:

$\nu = \frac{96}{64} \cdot 10^3 \text{ моль} = 1.5 \cdot 10^3 \text{ моль} = 1500 \text{ моль}$

Таким образом, 96 кг меди соответствует 1500 моль вещества. Это значение также можно представить как 1.5 кмоль.

Ответ: $1500$ моль.

8. Как строение металлов связано с их физическими свойствами? Назовите области применения металлов, в которых используют их физические свойства.

Связь строения металлов с их физическими свойствами

Особые физические свойства металлов напрямую обусловлены их внутренним строением и типом химической связи — металлической связью. В твёрдом состоянии металлы образуют кристаллическую решётку. В узлах этой решётки находятся не нейтральные атомы, а положительно заряженные ионы металла. Валентные электроны, которые слабо связаны со своими атомами, отрываются от них и образуют так называемый «электронный газ» — совокупность свободных электронов ($e^-$), которые хаотично движутся по всему объёму кристалла. Металлическая связь — это электростатическое притяжение между положительными ионами в узлах решётки и этим обобществлённым «электронным газом».

Такое строение определяет следующие свойства:

• Электропроводность и теплопроводность. Наличие свободных, подвижных электронов является причиной высокой электро- и теплопроводности. Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно двигаться, создавая электрический ток. При нагревании части металла кинетическая энергия быстро передаётся по всему объёму за счёт движения свободных электронов и колебаний ионов в решётке.

• Пластичность (ковкость и тягучесть). Металлическая связь не имеет строгой направленности, как ковалентная. Поэтому при механическом воздействии (например, ударе) слои ионов в кристаллической решётке могут смещаться друг относительно друга, не разрывая связи. «Электронный газ» действует как смазка, продолжая удерживать ионы вместе. Это отличает металлы от хрупких ионных кристаллов, которые при деформации раскалываются.

• Металлический блеск. Поверхность металлов способна хорошо отражать световые лучи. Это связано с тем, что свободные электроны в поверхностном слое поглощают энергию световых волн (фотонов) и тут же переизлучают её. Для человеческого глаза это воспринимается как характерный блеск.

• Высокие температуры плавления и твёрдость. Сильное притяжение между катионами и «электронным газом» обуславливает, как правило, высокую прочность кристаллической решётки. Чтобы её разрушить (расплавить металл), требуется большое количество энергии. (Существуют исключения, например, ртуть, цезий, галлий).

Ответ: Физические свойства металлов (электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск) обусловлены их строением: наличием в кристаллической решётке положительно заряженных ионов и свободно перемещающихся между ними обобществлённых электронов («электронного газа»), которые обеспечивают металлическую связь.

Области применения металлов на основе их физических свойств

Физические свойства металлов определяют их широкое применение в различных отраслях:

• Электропроводность: Медь и алюминий, как одни из лучших проводников, используются для изготовления электрических проводов, кабелей, контактов в электроприборах и обмоток электродвигателей.

• Теплопроводность: Алюминий, медь и сталь применяются для изготовления радиаторов отопления и систем охлаждения (в автомобилях, компьютерах), а также для производства кухонной посуды (кастрюли, сковороды).

• Пластичность (ковкость и тягучесть): Из золота, серебра и платины благодаря их ковкости изготавливают ювелирные изделия. Из алюминия производят фольгу. Стальные листы штампуют для создания кузовов автомобилей. Из меди вытягивают тончайшую проволоку.

• Прочность и твёрдость: Сплавы железа (сталь, чугун) являются основным конструкционным материалом в строительстве (балки, арматура), машиностроении (станки, детали машин). Титановые сплавы из-за их прочности и лёгкости незаменимы в авиационной и космической промышленности.

• Металлический блеск: Серебро и алюминий используются для нанесения отражающего слоя в зеркалах. Хром, золото и серебро применяют для декоративных покрытий, придающих изделиям привлекательный вид.

Ответ: Области применения металлов, основанные на их физических свойствах, включают: электротехнику (провода из меди и алюминия из-за их электропроводности), теплотехнику (радиаторы из-за теплопроводности), строительство и машиностроение (стальные конструкции из-за прочности), ювелирное дело и производство фольги (из-за пластичности), изготовление зеркал и декоративных покрытий (из-за металлического блеска).

Важное значение в химии имеет понятие «степень окисления». Что оно означает? Как рассчитывается степень окисления атомов в химическом соединении?

Что означает понятие «степень окисления»?

Степень окисления — это условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный в предположении, что все связи в этом соединении являются ионными. Иными словами, это заряд, который приобрёл бы атом, если бы все общие электронные пары полностью сместились к более электроотрицательным атомам.

Степень окисления является формальной величиной и не всегда отражает реальное распределение электронной плотности в молекуле, но она очень удобна для:

• Классификации химических веществ.
• Составления названий неорганических соединений (например, оксид железа(III) $Fe_2O_3$, где (III) указывает на степень окисления железа $+3$).
• Описания и уравнивания окислительно-восстановительных реакций (ОВР), так как в ходе ОВР степени окисления элементов изменяются.

Степень окисления может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

• Положительная степень окисления означает, что атом условно отдал электроны. Она характерна для металлов и менее электроотрицательных неметаллов.
• Отрицательная степень окисления означает, что атом условно принял электроны. Она характерна для более электроотрицательных неметаллов.
• Нулевая степень окисления присваивается атомам в простых веществах (например, $O_2, Fe, Cl_2$).

Ответ: Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, рассчитанный исходя из допущения, что все химические связи имеют ионный характер.

Как рассчитывается степень окисления атомов в химическом соединении?

Для расчёта степеней окисления атомов в соединении используют ряд правил, основанных на понятии электроотрицательности.

1. Степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю. Например, в $Na, O_2, P_4, S_8$ атомы имеют степень окисления 0.
2. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
3. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду этого иона.
4. Существуют элементы, которые в большинстве соединений проявляют постоянную степень окисления:
   • Фтор (F), как самый электроотрицательный элемент, всегда имеет степень окисления $-1$.
   • Щелочные металлы (Li, Na, K и др.) — всегда $+1$.
   • Щелочноземельные металлы (Mg, Ca, Ba и др.) — всегда $+2$.
   • Алюминий (Al) — как правило, $+3$.
5. Водород (H) в соединениях с неметаллами имеет степень окисления $+1$ (например, в $H_2O, HCl, NH_3$), а в соединениях с активными металлами (гидридах) — $-1$ (например, в $NaH, CaH_2$).
6. Кислород (O) чаще всего имеет степень окисления $-2$ (например, в $H_2O, CO_2, Fe_2O_3$). Исключения составляют:
   • пероксиды (например, $H_2O_2, Na_2O_2$), где его степень окисления равна $-1$;
   • фторид кислорода $OF_2$, где кислород имеет степень окисления $+2$ (так как фтор более электроотрицателен).

Алгоритм расчёта:

1. Записать над символами элементов известные степени окисления.
2. Обозначить неизвестную степень окисления через $x$.
3. Составить алгебраическое уравнение, учитывая количество атомов каждого элемента (индексы) и правило о сумме степеней окисления (правило 2 или 3).
4. Решить уравнение относительно $x$.

Пример 1: Определить степень окисления серы (S) в серной кислоте $H_2SO_4$.

Молекула электронейтральна, значит, сумма степеней окисления равна 0. Степень окисления водорода $+1$, кислорода $-2$. Степень окисления серы обозначим за $x$. Составляем уравнение: $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$.
$2 + x - 8 = 0$
$x - 6 = 0$
$x = +6$
Значит, степени окисления в молекуле: $H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2}$.

Пример 2: Определить степень окисления марганца (Mn) в перманганат-ионе $MnO_4^{-}$.

Это ион с зарядом $-1$, значит, сумма степеней окисления равна $-1$. Степень окисления кислорода $-2$. Степень окисления марганца обозначим за $x$. Составляем уравнение: $x + 4 \cdot (-2) = -1$.
$x - 8 = -1$
$x = -1 + 8$
$x = +7$
Значит, степень окисления марганца в ионе: $Mn^{+7}O_4^{-}$.

Ответ: Степень окисления атома в соединении рассчитывается на основе набора правил, главным из которых является равенство нулю алгебраической суммы степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле (или равенство заряду иона для ионов). При расчёте используются постоянные степени окисления некоторых элементов (фтора, щелочных и щелочноземельных металлов, водорода, кислорода) для нахождения неизвестных.