Страница 165 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте определение понятия «степень окисления»:

Степень окисления (или окислительное число) — это условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный из предположения, что все химические связи в этом соединении имеют ионный характер. То есть, предполагается, что электронные пары, образующие связь, полностью смещены к более электроотрицательному атому.

Это формальная величина, которая не всегда отражает реальное распределение зарядов в молекуле, но является очень удобным инструментом для:

• Составления химических формул.
• Классификации химических веществ.
• Описания и уравнивания окислительно-восстановительных реакций.

Для определения степени окисления пользуются рядом правил:

1. Степень окисления атомов в простых веществах (например, $Cl_2$, $Na$, $O_3$, $P_4$) равна нулю.
2. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
3. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в сложном ионе равна заряду этого иона.
4. Атомы щелочных металлов (IА группа) в соединениях всегда имеют степень окисления +1, а щелочноземельных металлов (IIA группа) — +2. Алюминий, как правило, имеет степень окисления +3.
5. Фтор, как самый электроотрицательный элемент, во всех соединениях имеет степень окисления -1.
6. Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1. Исключение составляют гидриды активных металлов (например, $NaH$, $CaH_2$), где его степень окисления равна -1.
7. Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Исключениями являются:
   • пероксиды (например, $H_2O_2$), где степень окисления кислорода равна -1;
   • надпероксиды (супероксиды) (например, $KO_2$), где степень окисления кислорода равна $-1/2$;
   • соединения с фтором (например, $OF_2$), где степень окисления кислорода положительна (+2).

Например, в молекуле воды ($H_2O$) у водорода степень окисления +1, у кислорода -2. Суммарный заряд: $2 \cdot (+1) + (-2) = 0$. В сульфат-ионе ($SO_4^{2-}$) у кислорода степень окисления -2, тогда степень окисления серы $x$ можно найти из уравнения: $x + 4 \cdot (-2) = -2$, откуда $x = +6$.

Важно отличать степень окисления от валентности. Валентность определяет число химических связей, образованных атомом, в то время как степень окисления — это условный заряд, связанный с перераспределением электронов.

Ответ: Степень окисления — это условный (гипотетический) заряд атома в молекуле, который рассчитывается исходя из допущения, что все связи в соединении являются ионными, то есть электронные пары полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов. Это формальная величина, используемая для классификации веществ и балансировки окислительно-восстановительных реакций.

2. Назовите элементы с постоянной и переменной степенью окисления. Как соотносится положение химического элемента в таблице Д. И. Менделеева со значениями его степеней окисления?

Элементы с постоянной и переменной степенью окисления

Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что все связи в соединении являются ионными. Некоторые химические элементы проявляют в соединениях только одну, постоянную степень окисления, в то время как другие могут иметь несколько, то есть переменную степень окисления.

Элементы с постоянной степенью окисления:

• Щелочные металлы (элементы IA-группы): Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. В соединениях их степень окисления всегда равна $+1$.
• Щелочноземельные металлы (элементы IIA-группы): Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Их степень окисления всегда равна $+2$.
• Алюминий (Al, IIIA-группа) всегда проявляет степень окисления $+3$.
• Цинк (Zn) и Кадмий (Cd) (элементы IIB-группы) всегда имеют степень окисления $+2$.
• Фтор (F, VIIA-группа), как самый электроотрицательный элемент, всегда имеет степень окисления $-1$.

Элементы с переменной степенью окисления:

• Большинство переходных металлов (d-элементы). Например:
  • Железо (Fe) может иметь степени окисления $+2$ и $+3$.
  • Марганец (Mn) проявляет широкий диапазон степеней окисления: $+2, +3, +4, +6, +7$.
  • Медь (Cu) образует соединения со степенями окисления $+1$ и $+2$.
• Большинство неметаллов (p-элементы). Например:
  • Сера (S) может иметь степени окисления $-2, 0, +2, +4, +6$.
  • Азот (N) проявляет все степени окисления от $-3$ до $+5$.
  • Хлор (Cl), кроме $-1$, может иметь положительные степени окисления: $+1, +3, +5, +7$.

Ответ: Элементы с постоянной степенью окисления — это, как правило, металлы IA, IIA групп, а также Al, Zn, Cd и самый электроотрицательный неметалл F. Элементы с переменной степенью окисления — это большинство переходных металлов и неметаллов, которые могут образовывать соединения, отдавая или принимая разное число электронов.

Соотношение положения химического элемента в таблице Д. И. Менделеева со значениями его степеней окисления

Положение элемента в Периодической системе (номер группы и периода) позволяет прогнозировать его возможные степени окисления.

Для элементов главных подгрупп (A-групп):

• Высшая положительная степень окисления, как правило, равна номеру группы элемента. Например, у серы (S), расположенной в VIA-группе, высшая степень окисления равна $+6$. У хлора (Cl) из VIIA-группы — $+7$. Исключениями являются фтор (у него только $-1$) и кислород (высшая $+2$ в соединении $OF_2$).
• Низшая отрицательная степень окисления для неметаллов вычисляется по формуле: $N_{группы} - 8$. Например, для азота (N) из VA-группы низшая степень окисления равна $5 - 8 = -3$. Для селена (Se) из VIA-группы — $6 - 8 = -2$.
• Промежуточные степени окисления у многих неметаллов отличаются на две единицы (например, у хлора: $+7, +5, +3, +1$), что связано с последовательным отрывом электронных пар.

Для элементов побочных подгрупп (B-групп, переходных металлов):

• Переменная степень окисления обусловлена участием в образовании связей не только внешних s-электронов, но и d-электронов предыдущего энергетического уровня.
• Высшая степень окисления для многих из них также совпадает с номером группы (например, марганец Mn из VIIB-группы имеет высшую степень окисления $+7$). Эта закономерность в основном соблюдается до VIIB-группы.

Таким образом, номер группы является ключевым показателем для определения высшей положительной и (для неметаллов) низшей отрицательной степеней окисления. Принадлежность к главной или побочной подгруппе определяет характер проявления степеней окисления.

Ответ: Положение элемента в таблице Менделеева напрямую связано с его степенями окисления. Для элементов главных подгрупп высшая положительная степень окисления обычно равна номеру группы, а низшая отрицательная (для неметаллов) рассчитывается как (номер группы - 8). Для переходных металлов также наблюдается связь высшей степени окисления с номером группы, а переменчивость их степеней окисления объясняется участием d-электронов.

3. Сравните понятия «степень окисления» и «валентность». Приведите примеры веществ, в которых величины валентности и степени окисления совпадают и различаются.

Сравнение понятий «степень окисления» и «валентность»

Валентность – это способность атома химического элемента образовывать определенное число химических связей. Она определяется числом электронов, которые атом использует для образования связей. Валентность является беззнаковой величиной и выражается целым положительным числом (например, I, II, III). Она отражает реальное количество связей, образованных атомом в молекуле.

Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все химические связи в нем имеют ионный характер (то есть электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому). Степень окисления, в отличие от валентности, может иметь положительное, отрицательное, нулевое и даже дробное значение. Это формальная величина, которая удобна для классификации веществ и для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Ключевые отличия:
1. Знак: Валентность – беззнаковая величина (всегда положительное целое число), а степень окисления может быть положительной, отрицательной или равной нулю.
2. Значение: Валентность всегда целочисленна, в то время как степень окисления может быть и дробной (например, в супероксиде калия $KO_2$ степень окисления кислорода равна -1/2).
3. Физический смысл: Валентность отражает реальное число образованных связей, а степень окисления – это условный, формальный заряд.
4. В простых веществах: Валентность атомов определяется числом связей в молекуле (например, в $N_2$ валентность азота III), а степень окисления в простых веществах всегда принимается равной нулю.

Примеры веществ, в которых величины валентности и степени окисления совпадают

Численное значение валентности совпадает с модулем степени окисления, как правило, в бинарных соединениях с ионной или сильно полярной ковалентной связью.
- Вода ($H_2O$): Кислород имеет валентность II и степень окисления -2. Водород имеет валентность I и степень окисления +1.
- Фторид лития ($LiF$): Литий имеет валентность I и степень окисления +1. Фтор имеет валентность I и степень окисления -1.
- Метан ($CH_4$): Углерод имеет валентность IV и степень окисления -4.
- Аммиак ($NH_3$): Азот имеет валентность III и степень окисления -3.

Примеры веществ, в которых величины валентности и степени окисления различаются

Различия чаще всего наблюдаются в простых веществах, органических соединениях со связями между одинаковыми атомами (например, С-С), в соединениях с донорно-акцепторной связью и в пероксидах.
- Молекула азота ($N_2$): Атомы соединены тройной связью, поэтому валентность каждого атома азота равна III. Степень окисления азота как в простом веществе равна 0. (Валентность III $\neq$ Степень окисления 0).
- Пероксид водорода ($H_2O_2$): В структуре $H-O-O-H$ каждый атом кислорода образует две связи, то есть его валентность равна II. При этом степень окисления кислорода в пероксидах равна -1. (Валентность II $\neq$ Степень окисления -1).
- Азотная кислота ($HNO_3$): Атом азота образует 4 ковалентные связи (одну по донорно-акцепторному механизму), поэтому его валентность равна IV. В то же время степень окисления азота в этом соединении равна +5. (Валентность IV $\neq$ Степень окисления +5).
- Этан ($C_2H_6$): Каждый атом углерода образует четыре связи (одну с другим атомом углерода и три с атомами водорода), следовательно, его валентность равна IV. Степень окисления каждого атома углерода в этане равна -3. (Валентность IV $\neq$ Степень окисления -3).

Ответ: Валентность и степень окисления — это разные характеристики атома в соединении. Валентность — это число химических связей, которое образует атом; это всегда целое положительное число. Степень окисления — это условный заряд атома, который может быть положительным, отрицательным, нулевым или дробным. Эти величины численно совпадают (по модулю) в простых бинарных соединениях, например, в воде ($H_2O$) валентность кислорода равна II, а степень окисления -2. Они различаются в простых веществах (в молекуле кислорода $O_2$ валентность II, а степень окисления 0), в соединениях со сложной структурой (в азотной кислоте $HNO_3$ валентность азота IV, а степень окисления +5) или в органических соединениях (в этане $C_2H_6$ валентность углерода IV, а степень окисления -3).

4. Рассчитайте степени окисления атомов химических элементов в веществах:

а) $Na_2S$;

б) $F_2$;

в) $KNO_3$;

г) $Ca_3P_2$;

д) $BF_3$.

а) В бинарном соединении $Na_2S$ (сульфид натрия) натрий ($Na$) является щелочным металлом и находится в I группе главной подгруппы периодической системы, поэтому его степень окисления в соединениях постоянна и равна $+1$. Так как молекула в целом электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Обозначим степень окисления серы ($S$) как $x$. Составим и решим уравнение: $2 \cdot (+1) + 1 \cdot x = 0$, откуда $x = -2$. Ответ: степень окисления натрия $Na$ равна $+1$, серы $S$ равна $-2$ ($Na_2^{+1}S^{-2}$).

б) Вещество $F_2$ (фтор) является простым веществом, молекула которого состоит из атомов одного химического элемента. Согласно правилу, степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю. Ответ: степень окисления фтора $F$ равна $0$ ($F_2^{0}$).

в) В соединении $KNO_3$ (нитрат калия) калий ($K$) — это щелочной металл, его степень окисления всегда $+1$. Степень окисления кислорода ($O$) в большинстве соединений (в том числе в нитратах) равна $-2$. Молекула электронейтральна. Пусть степень окисления азота ($N$) равна $x$. Составим уравнение, учитывая, что в молекуле 1 атом калия, 1 атом азота и 3 атома кислорода: $1 \cdot (+1) + 1 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$. Решая уравнение $1 + x - 6 = 0$, получаем $x - 5 = 0$, откуда $x = +5$. Ответ: степень окисления калия $K$ равна $+1$, азота $N$ равна $+5$, кислорода $O$ равна $-2$ ($K^{+1}N^{+5}O_3^{-2}$).

г) В бинарном соединении $Ca_3P_2$ (фосфид кальция) кальций ($Ca$) — щелочноземельный металл, находится во II группе главной подгруппы, его степень окисления в соединениях постоянна и равна $+2$. Молекула электронейтральна. Обозначим неизвестную степень окисления фосфора ($P$) как $x$. В молекуле 3 атома кальция и 2 атома фосфора, поэтому уравнение будет выглядеть так: $3 \cdot (+2) + 2 \cdot x = 0$. Решаем его: $6 + 2x = 0$, $2x = -6$, $x = -3$. Ответ: степень окисления кальция $Ca$ равна $+2$, фосфора $P$ равна $-3$ ($Ca_3^{+2}P_2^{-3}$).

д) В соединении $BF_3$ (фторид бора) фтор ($F$) является самым электроотрицательным элементом, поэтому его степень окисления во всех соединениях (кроме простого вещества $F_2$) равна $-1$. Молекула $BF_3$ электронейтральна. Пусть степень окисления бора ($B$) равна $x$. Составим уравнение: $1 \cdot x + 3 \cdot (-1) = 0$. Из уравнения $x - 3 = 0$ находим, что $x = +3$. Ответ: степень окисления бора $B$ равна $+3$, фтора $F$ равна $-1$ ($B^{+3}F_3^{-1}$).

5. Расположите формулы веществ в порядке увеличения степени окисления атома хлора: $\text{KClO}_3$, $\text{Cl}_2$, $\text{HClO}_4$, $\text{FeCl}_3$, $\text{Ca(ClO)}_2$, $\text{ClO}_3$, $\text{KClO}_2$.

Решение

Для того чтобы расположить формулы веществ в порядке увеличения степени окисления атома хлора, необходимо определить эту степень окисления в каждом из представленных соединений. Соединение $KIO_3$ (йодат калия) не содержит атомов хлора, поэтому оно не включается в итоговую последовательность.

Определим степень окисления хлора ($Cl$) в остальных веществах:

В $FeCl_3$ (хлорид железа(III)) хлор является более электроотрицательным элементом, чем железо. Степень окисления железа равна $+3$. Пусть степень окисления хлора равна $x$. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю: $(+3) + 3 \cdot x = 0$. Отсюда $3x = -3$, и $x = -1$. Степень окисления хлора равна -1.

В $Cl_2$ (хлор) молекула состоит из атомов одного элемента. В простом веществе степень окисления атомов всегда принимается равной 0.

В $Ca(ClO)_2$ (гипохлорит кальция) степень окисления кальция ($Ca$) равна $+2$, а кислорода ($O$) — $-2$. Пусть степень окисления хлора $x$. Тогда для всей молекулы: $(+2) + 2 \cdot (x + (-2)) = 0$. Решая уравнение, получаем: $2 + 2x - 4 = 0 \Rightarrow 2x = 2 \Rightarrow x = +1$. Степень окисления хлора равна +1.

В $KClO_2$ (хлорит калия) степень окисления калия ($K$) равна $+1$, а кислорода ($O$) — $-2$. Пусть степень окисления хлора $x$. Тогда: $(+1) + x + 2 \cdot (-2) = 0$. Решая уравнение, получаем: $1 + x - 4 = 0 \Rightarrow x = +3$. Степень окисления хлора равна +3.

В $ClO_3$ (триоксид хлора) степень окисления кислорода ($O$) равна $-2$. Пусть степень окисления хлора $x$. Тогда для нейтральной молекулы: $x + 3 \cdot (-2) = 0$. Решая уравнение, получаем: $x - 6 = 0 \Rightarrow x = +6$. Степень окисления хлора равна +6.

В $HClO_4$ (хлорная кислота) степень окисления водорода ($H$) равна $+1$, а кислорода ($O$) — $-2$. Пусть степень окисления хлора $x$. Тогда: $(+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$. Решая уравнение, получаем: $1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7$. Степень окисления хлора равна +7.

Соберем полученные значения степеней окисления хлора для каждого соединения:

• $FeCl_3$: -1
• $Cl_2$: 0
• $Ca(ClO)_2$: +1
• $KClO_2$: +3
• $ClO_3$: +6
• $HClO_4$: +7

Располагая вещества в порядке увеличения степени окисления хлора (от $-1$ до $+7$), получаем следующую последовательность.

Ответ: $FeCl_3, Cl_2, Ca(ClO)_2, KClO_2, ClO_3, HClO_4$.

6. При каких превращениях веществ степени окисления атомов увеличились, при каких — уменьшились:

а) $HBr \rightarrow Br_2$;

б) $FeO \rightarrow Fe_2O_3$;

в) $S \rightarrow ZnS$;

г) $KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4$?

Чтобы определить, как изменилась степень окисления, необходимо рассчитать ее для каждого элемента, участвующего в превращении, в исходном веществе и в продукте.

а) HBr → Br₂

1. В бромоводороде ($HBr$) водород ($H$) имеет степень окисления $+1$. Так как молекула в целом электронейтральна, степень окисления брома ($Br$) должна быть $-1$, чтобы сумма степеней окисления была равна нулю. Расчет: $H^{+1}Br^{x} \Rightarrow +1 + x = 0 \Rightarrow x = -1$.
2. В молекуле брома ($Br_2$), которая является простым веществом, состоящим из атомов одного элемента, степень окисления каждого атома брома равна $0$.
3. Степень окисления брома изменяется с $-1$ на $0$. Поскольку $0 > -1$, степень окисления увеличилась. Этот процесс является окислением.

Ответ: степень окисления брома увеличилась.

б) FeO → Fe₂O₃

1. В оксиде железа(II) ($FeO$) кислород ($O$) имеет стандартную степень окисления $-2$. Следовательно, для нейтральности молекулы степень окисления железа ($Fe$) равна $+2$. Расчет: $Fe^{x}O^{-2} \Rightarrow x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2$.
2. В оксиде железа(III) ($Fe_2O_3$) кислород ($O$) также имеет степень окисления $-2$. Суммарный отрицательный заряд от трех атомов кислорода составляет $3 \times (-2) = -6$. Этот заряд должен быть скомпенсирован двумя атомами железа, поэтому на каждый атом железа приходится заряд $+3$. Расчет: $Fe_{2}^{x}O_{3}^{-2} \Rightarrow 2x + 3 \times (-2) = 0 \Rightarrow 2x - 6 = 0 \Rightarrow x = +3$.
3. Степень окисления железа изменяется с $+2$ на $+3$. Поскольку $+3 > +2$, степень окисления увеличилась. Этот процесс является окислением.

Ответ: степень окисления железа увеличилась.

в) S → ZnS

1. Сера ($S$) как простое вещество имеет степень окисления $0$.
2. В сульфиде цинка ($ZnS$) цинк ($Zn$) является металлом и в соединениях практически всегда проявляет степень окисления $+2$. Для нейтральности молекулы сера ($S$) должна иметь степень окисления $-2$. Расчет: $Zn^{+2}S^{x} \Rightarrow +2 + x = 0 \Rightarrow x = -2$.
3. Степень окисления серы изменяется с $0$ на $-2$. Поскольку $-2 < 0$, степень окисления уменьшилась. Этот процесс является восстановлением.

Ответ: степень окисления серы уменьшилась.

г) KMnO₄ → K₂MnO₄

1. В перманганате калия ($KMnO_4$) калий ($K$) — щелочной металл, его степень окисления $+1$. Кислород ($O$) имеет степень окисления $-2$. Рассчитаем степень окисления марганца ($Mn$), обозначив её как $x$. Расчет: $K^{+1}Mn^{x}O_{4}^{-2} \Rightarrow (+1) + x + 4 \times (-2) = 0 \Rightarrow 1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7$.
2. В манганате калия ($K_2MnO_4$) степень окисления калия ($K$) также $+1$, а кислорода ($O$) — $-2$. Рассчитаем степень окисления марганца ($Mn$), обозначив её как $y$. Расчет: $K_{2}^{+1}Mn^{y}O_{4}^{-2} \Rightarrow 2 \times (+1) + y + 4 \times (-2) = 0 \Rightarrow 2 + y - 8 = 0 \Rightarrow y = +6$.
3. Степень окисления марганца изменяется с $+7$ на $+6$. Поскольку $+6 < +7$, степень окисления уменьшилась. Этот процесс является восстановлением.

Ответ: степень окисления марганца уменьшилась.

7. Назовите соединения, имеющие формулы: $Na_2O$, $CaS$, $FeS$, $Ca_3N_2$, $Mg_2Si$, $CO$, $CCl_4$

Решение

Для того чтобы дать названия представленным химическим соединениям, необходимо определить их класс и следовать правилам номенклатуры бинарных соединений. Основной принцип заключается в том, что сначала называют более электроотрицательный элемент (анион) с суффиксом «-ид», а затем — менее электроотрицательный элемент (катион) в родительном падеже. Для элементов с переменной валентностью её указывают римскими цифрами в скобках. Для ковалентных соединений часто используют греческие приставки для указания числа атомов.

$Na_2O$

Это бинарное соединение состоит из металла натрия ($Na$) и неметалла кислорода ($O$). Соединения элемента с кислородом называются оксидами. Натрий — щелочной металл, он находится в I группе главной подгруппы и проявляет постоянную валентность, равную I. Поэтому указывать валентность в названии не требуется.

Ответ: оксид натрия.

$CaS$

Это соединение состоит из металла кальция ($Ca$) и неметалла серы ($S$). Бинарные соединения с серой называются сульфидами. Кальций — щелочноземельный металл, он находится во II группе главной подгруппы и имеет постоянную валентность II. Указывать её в названии не нужно.

Ответ: сульфид кальция.

$FeS$

Это соединение состоит из металла железа ($Fe$) и неметалла серы ($S$). Это сульфид. Железо является переходным металлом и может проявлять разные валентности (чаще всего II и III). В сульфид-ионе ($S^{2-}$) сера имеет степень окисления -2. Чтобы молекула была электронейтральной, железо должно иметь степень окисления +2, то есть его валентность равна II. Эту валентность необходимо указать в названии римской цифрой в скобках.

Ответ: сульфид железа(II).

$Ca_3N_2$

Это соединение состоит из металла кальция ($Ca$) и неметалла азота ($N$). Бинарные соединения с азотом в степени окисления -3 называются нитридами. Валентность кальция постоянна и равна II.

Ответ: нитрид кальция.

$Mg_2Si$

Это соединение состоит из металла магния ($Mg$) и неметалла кремния ($Si$). Бинарные соединения металлов с кремнием, где кремний является более электроотрицательным элементом, называются силицидами. Валентность магния постоянна и равна II.

Ответ: силицид магния.

$CO$

Это соединение состоит из двух неметаллов: углерода ($C$) и кислорода ($O$). Это оксид. Углерод в оксидах может проявлять валентность II (как в $CO$) и IV (как в $CO_2$). В данном соединении валентность углерода равна II. Её следует указать в названии. Также по систематической номенклатуре можно использовать название с греческой приставкой «моно-» для указания одного атома кислорода.

Ответ: оксид углерода(II) или монооксид углерода.

$CCl_4$

Это соединение состоит из двух неметаллов: углерода ($C$) и хлора ($Cl$). Хлор более электроотрицателен, поэтому данное соединение относится к хлоридам. Для указания количества атомов хлора (четыре) используется греческая приставка «тетра-». Также можно назвать соединение, указав валентность углерода, которая здесь равна IV.

Ответ: тетрахлорид углерода или хлорид углерода(IV).