Страница 86 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

7-22. Может ли степень окисления какого-либо элемента быть равной

а) $+2$;

б) $+5$;

в) $+10$?

Решение

а) Да, степень окисления +2 очень распространена. Ее проявляют многие химические элементы. Например, все щелочноземельные металлы (элементы 2-й группы) в своих соединениях имеют степень окисления +2 (например, магний ($Mg$) в оксиде магния $MgO$, кальций ($Ca$) в хлориде кальция $CaCl_2$). Также степень окисления +2 характерна для многих переходных металлов, таких как железо ($Fe$) в оксиде железа(II) $FeO$, цинк ($Zn$) в оксиде цинка $ZnO$, медь ($Cu$) в оксиде меди(II) $CuO$.

Ответ: да, может.

б) Да, степень окисления +5 возможна для ряда элементов. Как правило, это высшая степень окисления для элементов 15-й группы (VА-группы) периодической системы. Примерами могут служить азот ($N$) в степени окисления +5 в азотной кислоте ($HNO_3$) и ее солях (нитратах), фосфор ($P$) в степени окисления +5 в фосфорной кислоте ($H_3PO_4$), а также некоторые переходные металлы, например, ванадий ($V$) в степени окисления +5 в оксиде ванадия(V) $V_2O_5$, и галогены, например, хлор ($Cl$) в степени окисления +5 в хлоратах (солях хлорноватой кислоты $HClO_3$).

Ответ: да, может.

в) Нет, на данный момент не известно ни одного химического элемента, который мог бы проявлять степень окисления +10 в каком-либо соединении. Максимальная положительная степень окисления элемента, как правило, равна номеру его группы в периодической системе, что соответствует числу его валентных электронов. Самая высокая экспериментально подтвержденная степень окисления равна +8. Ее проявляют рутений ($Ru$), осмий ($Os$) и ксенон ($Xe$) в своих высших оксидах ($RuO_4$, $OsO_4$, $XeO_4$). Существуют также научные сообщения о получении иона иридия со степенью окисления +9 ($[IrO_4]^+$). Для проявления степени окисления +10 элементу необходимо отдать 10 валентных электронов, что требует огромных затрат энергии и на сегодняшний день считается невозможным для известных элементов.

Ответ: нет, не может.

7-23. Может ли степень окисления какого-либо элемента быть равной а) $-1$; б) $-3$; в) $-5$?

а) -1

Да, степень окисления, равная -1, является одной из наиболее распространенных для неметаллов. Элементы, которым для завершения внешней электронной оболочки не хватает одного электрона, могут проявлять такую степень окисления.

В первую очередь это характерно для элементов 17-й группы (галогенов): фтора (F), хлора (Cl), брома (Br), иода (I). Например, в соединениях $NaCl$ (хлор -1), $HF$ (фтор -1), $KBr$ (бром -1). Фтор, как самый электроотрицательный элемент, почти во всех своих соединениях проявляет степень окисления -1.

Также степень окисления -1 может быть у водорода (H) в гидридах активных металлов (например, $NaH$, $CaH_2$) и у кислорода (О) в пероксидах (например, $H_2O_2$, $Na_2O_2$).

Ответ: Да, может.

б) -3

Да, степень окисления -3 также возможна. Она характерна для элементов 15-й группы периодической таблицы, таких как азот (N) и фосфор (P). Атомы этих элементов имеют 5 валентных электронов, и для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки им необходимо принять 3 электрона. Низшая (минимальная) степень окисления для них равна номеру группы минус восемь: $5 - 8 = -3$.

Примеры соединений, в которых элементы имеют степень окисления -3: азот в аммиаке ($NH_3$) и нитридах (например, в нитриде магния $Mg_3N_2$); фосфор в фосфине ($PH_3$) и фосфидах (например, в фосфиде кальция $Ca_3P_2$).

Ответ: Да, может.

в) -5

Нет, степень окисления, равная -5, для элементов в химических соединениях не встречается.

Степень окисления отражает условный заряд атома, который он приобретает, отдав или приняв электроны. Чтобы атом приобрел степень окисления -5, он должен был бы принять 5 электронов. Присоединение такого большого числа электронов к одному атому является чрезвычайно энергетически невыгодным процессом. Это связано с сильным электростатическим отталкиванием между уже имеющимися на оболочке электронами и каждым последующим присоединяемым электроном.

Максимальная известная отрицательная степень окисления для элементов равна -4. Она встречается у элементов 14-й группы, например, у углерода (C) в метаниде алюминия ($Al_4C_3$) или у кремния (Si) в силициде магния ($Mg_2Si$). Образование иона с зарядом -5 потребовало бы колоссальной энергии, что делает такую степень окисления практически невозможной в реальных химических соединениях.

Ответ: Нет, не может.

7-24. Определите степени окисления каждого элемента в соединениях:

a) $N_2$

$N_2O$

$NO_2$

$N_2O_3$

$NH_3$

б) $NaNO_2$

$Ca(NO_3)_2$

$Cr(NO_3)_3$

$BaMnO_4$

$Ba(MnO_4)_2$

в) $KClO_3$

$Na_3PO_4$

$CrPO_4$

$Ca(ClO)_2$

$Mg(ClO_2)_2$

г) $ZnSiO_3$

$Ag_2CO_3$

$SrCrO_4$

$Cu_3(AsO_4)_2$

$NH_4Cl$

Для определения степеней окисления элементов в соединениях будем использовать следующие правила:

• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
• Степень окисления элемента в простом веществе равна нулю.
• Степень окисления щелочных металлов (Li, Na, K и др.) в соединениях всегда +1, а щелочноземельных (Ca, Sr, Ba, Mg и др.) — +2.
• Степень окисления кислорода в большинстве соединений равна -2.
• Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1.

а) $N_2$ — простое вещество (азот), поэтому степень окисления азота равна 0. Запись: $N_2^0$.

$N_2O$ — оксид азота(I). Степень окисления кислорода (O) равна -2. Пусть степень окисления азота (N) равна $x$. Составляем уравнение, исходя из того, что молекула электронейтральна: $2 \cdot x + (-2) = 0$. Отсюда $2x = 2$, $x = +1$. Запись: $N_2^{+1}O^{-2}$.

$NO_2$ — оксид азота(IV). Степень окисления кислорода (O) равна -2. Пусть степень окисления азота (N) равна $x$. Уравнение: $x + 2 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $x - 4 = 0$, $x = +4$. Запись: $N^{+4}O_2^{-2}$.

$N_2O_3$ — оксид азота(III). Степень окисления кислорода (O) равна -2. Пусть степень окисления азота (N) равна $x$. Уравнение: $2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2x - 6 = 0$, $x = +3$. Запись: $N_2^{+3}O_3^{-2}$.

$NH_3$ — аммиак. Степень окисления водорода (H) в соединениях с неметаллами равна +1. Пусть степень окисления азота (N) равна $x$. Уравнение: $x + 3 \cdot (+1) = 0$. Отсюда $x + 3 = 0$, $x = -3$. Запись: $N^{-3}H_3^{+1}$.

Ответ: $N_2$: N(0); $N_2O$: N(+1), O(-2); $NO_2$: N(+4), O(-2); $N_2O_3$: N(+3), O(-2); $NH_3$: N(-3), H(+1).

б) $NaNO_2$ — нитрит натрия. Na — щелочной металл, его степень окисления +1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления N равна $x$. Уравнение: $(+1) + x + 2 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $1 + x - 4 = 0$, $x = +3$. Запись: $Na^{+1}N^{+3}O_2^{-2}$.

$Ca(NO_3)_2$ — нитрат кальция. Ca — щелочноземельный металл, его степень окисления +2. O — кислород, -2. Пусть степень окисления N равна $x$. Уравнение для всей молекулы: $(+2) + 2 \cdot (x + 3 \cdot (-2)) = 0$. Рассчитаем для нитрат-иона $NO_3^{-}$ (заряд -1): $x + 3 \cdot (-2) = -1$, откуда $x-6=-1$, $x = +5$. Запись: $Ca^{+2}(N^{+5}O_3^{-2})_2$.

$Cr(NO_3)_3$ — нитрат хрома(III). Нитрат-ион $NO_3^{-}$ имеет заряд -1. Так как в формуле три нитрат-иона, их суммарный заряд -3. Следовательно, степень окисления хрома (Cr) равна +3. В нитрат-ионе степени окисления, как и в предыдущем случае: N(+5), O(-2). Запись: $Cr^{+3}(N^{+5}O_3^{-2})_3$.

$BaMnO_4$ — манганат бария. Ba — щелочноземельный металл, его степень окисления +2. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Mn равна $x$. Уравнение: $(+2) + x + 4 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2 + x - 8 = 0$, $x = +6$. Запись: $Ba^{+2}Mn^{+6}O_4^{-2}$.

$Ba(MnO_4)_2$ — перманганат бария. Ba — щелочноземельный металл, +2. O — кислород, -2. Перманганат-ион $MnO_4^{-}$ имеет заряд -1. Пусть степень окисления Mn равна $x$. Уравнение для иона: $x + 4 \cdot (-2) = -1$. Отсюда $x - 8 = -1$, $x = +7$. Запись: $Ba^{+2}(Mn^{+7}O_4^{-2})_2$.

Ответ: $NaNO_2$: Na(+1), N(+3), O(-2); $Ca(NO_3)_2$: Ca(+2), N(+5), O(-2); $Cr(NO_3)_3$: Cr(+3), N(+5), O(-2); $BaMnO_4$: Ba(+2), Mn(+6), O(-2); $Ba(MnO_4)_2$: Ba(+2), Mn(+7), O(-2).

в) $KClO_3$ — хлорат калия. K — щелочной металл, +1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Cl равна $x$. Уравнение: $(+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $1 + x - 6 = 0$, $x = +5$. Запись: $K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2}$.

$Na_3PO_4$ — фосфат натрия. Na — щелочной металл, +1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления P равна $x$. Уравнение: $3 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $3 + x - 8 = 0$, $x = +5$. Запись: $Na_3^{+1}P^{+5}O_4^{-2}$.

$CrPO_4$ — фосфат хрома(III). Фосфат-ион $PO_4^{3-}$ имеет заряд -3. Следовательно, степень окисления хрома (Cr) равна +3. В фосфат-ионе: P(+5), O(-2), как в предыдущем примере. Запись: $Cr^{+3}P^{+5}O_4^{-2}$.

$Ca(ClO)_2$ — гипохлорит кальция. Ca — щелочноземельный металл, +2. Гипохлорит-ион $ClO^{-}$ имеет заряд -1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Cl равна $x$. Уравнение для иона: $x + (-2) = -1$, $x = +1$. Запись: $Ca^{+2}(Cl^{+1}O^{-2})_2$.

$Mg(ClO_2)_2$ — хлорит магния. Mg — щелочноземельный металл, +2. Хлорит-ион $ClO_2^{-}$ имеет заряд -1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Cl равна $x$. Уравнение для иона: $x + 2 \cdot (-2) = -1$. Отсюда $x - 4 = -1$, $x = +3$. Запись: $Mg^{+2}(Cl^{+3}O_2^{-2})_2$.

Ответ: $KClO_3$: K(+1), Cl(+5), O(-2); $Na_3PO_4$: Na(+1), P(+5), O(-2); $CrPO_4$: Cr(+3), P(+5), O(-2); $Ca(ClO)_2$: Ca(+2), Cl(+1), O(-2); $Mg(ClO_2)_2$: Mg(+2), Cl(+3), O(-2).

г) $ZnSiO_3$ — силикат цинка. Степень окисления цинка (Zn) в соединениях +2. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Si равна $x$. Уравнение: $(+2) + x + 3 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2 + x - 6 = 0$, $x = +4$. Запись: $Zn^{+2}Si^{+4}O_3^{-2}$.

$Ag_2CO_3$ — карбонат серебра. Степень окисления серебра (Ag) в соединениях +1. O — кислород, -2. Пусть степень окисления C равна $x$. Уравнение: $2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2 + x - 6 = 0$, $x = +4$. Запись: $Ag_2^{+1}C^{+4}O_3^{-2}$.

$SrCrO_4$ — хромат стронция. Sr — щелочноземельный металл, +2. O — кислород, -2. Пусть степень окисления Cr равна $x$. Уравнение: $(+2) + x + 4 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2 + x - 8 = 0$, $x = +6$. Запись: $Sr^{+2}Cr^{+6}O_4^{-2}$.

$Cu_3(AsO_4)_2$ — арсенат меди(II). Арсенат-ион $AsO_4^{3-}$ имеет заряд -3. Два иона дают заряд -6. Три атома меди (Cu) должны иметь суммарный заряд +6, чтобы молекула была нейтральной. Значит, степень окисления каждого атома Cu равна $+6/3 = +2$. В ионе $AsO_4^{3-}$: O(-2), пусть степень окисления As равна $x$. Уравнение для иона: $x + 4 \cdot (-2) = -3$, откуда $x = +5$. Запись: $Cu_3^{+2}(As^{+5}O_4^{-2})_2$.

$NH_4Cl$ — хлорид аммония. Соединение состоит из иона аммония $NH_4^{+}$ и хлорид-иона $Cl^{-}$. Степень окисления хлора в хлоридах -1. В ионе $NH_4^{+}$: H имеет степень окисления +1. Пусть степень окисления N равна $x$. Сумма степеней окисления равна заряду иона: $x + 4 \cdot (+1) = +1$. Отсюда $x + 4 = 1$, $x = -3$. Запись: $N^{-3}H_4^{+1}Cl^{-1}$.

Ответ: $ZnSiO_3$: Zn(+2), Si(+4), O(-2); $Ag_2CO_3$: Ag(+1), C(+4), O(-2); $SrCrO_4$: Sr(+2), Cr(+6), O(-2); $Cu_3(AsO_4)_2$: Cu(+2), As(+5), O(-2); $NH_4Cl$: N(-3), H(+1), Cl(-1).

7-25. Определите возможные степени окисления для элементов

а) № 11, 20, 49;

б) № 50, 51, 34, 17.

Ответ обоснуйте.

а) Для определения возможных степеней окисления элемента необходимо знать его положение в Периодической системе и строение его атома, в частности, электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня.

Элемент с порядковым номером 11 — это натрий (Na). Его электронная конфигурация [Ne]$3s^1$. Он является щелочным металлом (1-я группа, главная подгруппа) и для достижения стабильной электронной конфигурации благородного газа (неона) легко отдает один валентный электрон. Поэтому его единственная и постоянная степень окисления в соединениях — +1. В виде простого вещества степень окисления равна 0.

Элемент № 20 — это кальций (Ca). Его электронная конфигурация [Ar]$4s^2$. Это щелочноземельный металл (2-я группа, главная подгруппа), который для достижения стабильной конфигурации аргона отдает два валентных электрона. Его постоянная степень окисления в соединениях — +2. В виде простого вещества степень окисления равна 0.

Элемент № 49 — это индий (In). Его электронная конфигурация валентных электронов $5s^25p^1$. Он находится в 13-й группе (IIIА подгруппа). Индий может отдавать все три валентных электрона, проявляя высшую степень окисления +3, что соответствует номеру группы. Также из-за "эффекта инертной пары" (энергетической устойчивости электронной пары на s-подуровне) он может отдавать только один p-электрон, проявляя степень окисления +1. Степень окисления 0 характерна для простого вещества.

Ответ: для элемента № 11 возможные степени окисления: 0, +1; для элемента № 20: 0, +2; для элемента № 49: 0, +1, +3.

б) Элемент № 50 — это олово (Sn). Электронная конфигурация валентных электронов $5s^25p^2$ (14-я группа, IVА подгруппа). Олово может отдавать два p-электрона (проявляя степень окисления +2) или все четыре валентных электрона (проявляя высшую степень окисления +4). Обе степени окисления являются распространенными для олова. Степень окисления 0 характерна для простого вещества. В соединениях с активными металлами (станнидах, например $Mg_2Sn$) может проявлять отрицательную степень окисления -4.

Элемент № 51 — это сурьма (Sb). Электронная конфигурация валентных электронов $5s^25p^3$ (15-я группа, VА подгруппа). Сурьма может проявлять положительные степени окисления +3 (при потере трех p-электронов) и высшую +5 (при потере всех пяти валентных электронов). Как металлоид, она также способна принимать 3 электрона до завершения октета, проявляя низшую отрицательную степень окисления -3 (в соединениях с металлами — антимонидах). Степень окисления 0 характерна для простого вещества.

Элемент № 34 — это селен (Se). Электронная конфигурация валентных электронов $4s^24p^4$ (16-я группа, VIА подгруппа). Как неметалл, селен стремится принять 2 электрона для завершения внешнего уровня до октета, проявляя низшую степень окисления -2. В соединениях с более электроотрицательными элементами (кислородом, фтором) он отдает электроны, проявляя положительные степени окисления +4 и высшую +6. Степень окисления 0 характерна для простого вещества.

Элемент № 17 — это хлор (Cl). Электронная конфигурация валентных электронов $3s^23p^5$ (17-я группа, VIIА подгруппа). Как типичный галоген с высокой электроотрицательностью, он чаще всего принимает один электрон, проявляя степень окисления -1. В соединениях с более электроотрицательными кислородом и фтором хлор проявляет ряд положительных степеней окисления: +1, +3, +5, +7. Степень окисления 0 характерна для простого вещества $Cl_2$.

Ответ: для элемента № 50: 0, +2, +4 (редко -4); для элемента № 51: -3, 0, +3, +5; для элемента № 34: -2, 0, +4, +6; для элемента № 17: -1, 0, +1, +3, +5, +7.

7-26. Приведите примеры веществ, в которых степень окисления азота равна

а) $-3$;

б) $0$;

в) $+5$;

г) $+2$;

д) $+3$.

а) Степень окисления азота равна $-3$.

Такая степень окисления характерна для азота в аммиаке ($NH_3$), ионе аммония ($NH_4^+$) и нитридах металлов (например, нитрид магния $Mg_3N_2$).

Рассмотрим на примере аммиака ($NH_3$). Водород в соединениях с неметаллами имеет постоянную степень окисления $+1$. Молекула в целом электронейтральна, значит, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Обозначим степень окисления азота за $x$.

$x + 3 \cdot (+1) = 0$

$x + 3 = 0$

$x = -3$

Следовательно, степень окисления азота в аммиаке равна $-3$.

Ответ: $NH_3$ (аммиак), $Mg_3N_2$ (нитрид магния).

б) Степень окисления азота равна $0$.

Нулевую степень окисления атомы имеют в простых веществах. Для азота это молекулярный азот ($N_2$), который является основной составляющей воздуха.

Ответ: $N_2$ (азот).

в) Степень окисления азота равна $+5$.

Это высшая степень окисления для азота. Она проявляется в оксиде азота(V) ($N_2O_5$), азотной кислоте ($HNO_3$) и ее солях — нитратах (например, нитрат калия $KNO_3$).

Рассмотрим на примере азотной кислоты ($HNO_3$). Степень окисления водорода равна $+1$, а кислорода — $-2$. Молекула электронейтральна. Обозначим степень окисления азота за $x$.

$(+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$

$1 + x - 6 = 0$

$x - 5 = 0$

$x = +5$

Следовательно, степень окисления азота в азотной кислоте равна $+5$.

Ответ: $HNO_3$ (азотная кислота), $N_2O_5$ (оксид азота(V)).

г) Степень окисления азота равна $+2$.

Такую степень окисления азот имеет в оксиде азота(II) ($NO$).

В этом соединении степень окисления кислорода равна $-2$. Так как молекула электронейтральна, для компенсации заряда степень окисления азота должна быть $+2$.

$x + (-2) = 0$

$x = +2$

Ответ: $NO$ (оксид азота(II)).

д) Степень окисления азота равна $+3$.

Степень окисления $+3$ азот проявляет в оксиде азота(III) ($N_2O_3$), азотистой кислоте ($HNO_2$) и ее солях — нитритах (например, нитрит натрия $NaNO_2$).

Рассмотрим на примере оксида азота(III) ($N_2O_3$). Степень окисления кислорода равна $-2$. Молекула электронейтральна. Обозначим степень окисления азота за $x$.

$2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$

$2x - 6 = 0$

$2x = 6$

$x = +3$

Следовательно, степень окисления азота в оксиде азота(III) равна $+3$.

Ответ: $N_2O_3$ (оксид азота(III)), $HNO_2$ (азотистая кислота).