Валентность и степень окисления: различия, примеры и задачи

Путаница особенно заметна на кислороде. В воде его валентность II, степень окисления −2; в молекуле O₂ валентность тоже II при двойной связи, а степень окисления равна нулю. Числа могут совпадать по величине в одном примере и различаться в другом. Поэтому сначала прочитайте, какую характеристику требует найти задание, и только затем выбирайте способ решения.

Что показывает валентность

Для простых структурных формул школьный подсчёт опирается на связи: одинарная считается одной единицей, двойная — двумя, тройная — тремя. В схеме H–O–H кислород связан двумя одинарными связями и имеет валентность II; каждый водород образует одну связь и имеет валентность I. Валентность в такой записи не получает знака «плюс» или «минус».

В структуре O=C=O углерод образует две двойные связи: 2 + 2 = 4, валентность IV. У каждого кислорода одна двойная связь, поэтому его валентность II. Считать только соседние атомы нельзя: у углерода два соседа, но кратность связей даёт четыре единицы.

Для ионных соединений не нужно выдумывать отдельную молекулу с несколькими нарисованными палочками. В школьных упражнениях по заданным валентностям используют соотношение элементов в формуле. Для сложных структур понятие требует более аккуратного разбора; правило подсчёта палочек не следует без пояснений переносить на все вещества. Терминологическую основу можно сверить с определением валентности в IUPAC Gold Book.

Что показывает степень окисления

Степень окисления — расчётная характеристика, а не обязательный реальный заряд каждого атома в молекуле. В школьной модели электроны связи между разными элементами условно относят к более электроотрицательному партнёру; связь между одинаковыми атомами делят поровну. Для одноатомного иона степень окисления совпадает с его зарядом. Формальное определение дано в IUPAC Gold Book.

В нейтральной формуле алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. В многоатомном ионе она равна заряду всего иона. Индексы обязательно учитывают: если атомов два, его степень окисления входит в сумму дважды.

Например, в H₂O водороду приписывают +1. Тогда кислород должен иметь −2, поскольку 2 · (+1) + (−2) = 0. Это арифметический баланс условных зарядов. Он не означает, что в молекуле воды находятся два свободных иона водорода и отдельный свободный ион кислорода.

Как различать записи

В школьной работе валентность часто обозначают римской цифрой: I, II, III, IV. Степень окисления записывают арабским числом со знаком, если значение не нулевое: +1, −2, +4. Нуль не превращается в валентность только потому, что стоит рядом с символом элемента.

На коротких примерах видно, почему две характеристики нельзя заменить одной. Для сравнения используются обычные школьные структурные представления указанных молекул.

Углерод в двух последних строках имеет одинаковую валентность, но разные степени окисления. Если написать «валентность углерода −IV», смешаются смысл и способ обозначения. Если написать «степень окисления углерода всегда +4», потеряется пример метана.

Правила определения степени окисления

Начинайте с величин, которые можно назначить по правилам, а неизвестную обозначайте буквой. Обязательно проверяйте, относится ли правило к рассматриваемому веществу. Некоторые удобные школьные значения имеют исключения.

1. В простом веществе степень окисления элемента равна 0: H₂, O₂, N₂ и металлическое железо Fe.
2. Для одноатомного иона значение равно заряду: у Na⁺ оно +1, у Mg²⁺ — +2.
3. В обычных соединениях щелочные металлы, например Na и K, имеют +1; Mg и Ca — +2; Al обычно +3.
4. Фтор в соединениях имеет −1.
5. Кислород в большинстве соединений имеет −2. В пероксидах, например H₂O₂, у него −1; в соединениях с фтором возможны положительные значения.
6. Водород в большинстве привычных соединений имеет +1, а в гидридах активных металлов, например NaH, — −1.
7. Сумму составляют с учётом всех атомов и заряда всей частицы.

Основные правила и исключения изложены в учебном разделе OpenStax о степенях окисления. Для начальной тренировки удобно использовать формулы, в которых назначаемые значения прямо подходят под эти правила. Если в условии указан пероксид, нельзя подставить кислороду −2 по привычке.

Три расчёта с неизвестной величиной

Найдём степень окисления серы в SO₂. В этой формуле кислороду соответствует −2, атомов кислорода два. Обозначим значение для серы через x: x + 2 · (−2) = 0. Отсюда x − 4 = 0, значит, сера имеет +4. Проверка: (+4) + 2 · (−2) = 0.

Для Al₂O₃ можно проверить значение алюминия тем же способом: 2x + 3 · (−2) = 0. Получаем 2x − 6 = 0, x = +3. Ошибка «алюминий +6» возникает, когда суммарный вклад двух атомов принимают за значение одного. После нахождения 2x нужно разделить на два.

Теперь рассмотрим ион NH₄⁺. У водорода здесь +1, а заряд всего иона равен +1. Поэтому x + 4 · (+1) = +1, откуда x = −3. Азот имеет −3, хотя весь ион положительный. Это ещё один пример того, почему заряд частицы и степень окисления отдельного атома — разные вещи.

Для нейтрального NH₃ запись будет x + 3 · (+1) = 0, результат также −3. Одинаковое значение азота не делает NH₃ и NH₄⁺ одной частицей: их состав и общий заряд различаются.

Как использовать заданные валентности для формулы

В простом школьном упражнении на составление бинарной формулы по заданным валентностям выбирают соотношение элементов, при котором суммарные числа единиц валентности согласованы. Пусть у алюминия задана III, у кислорода — II. Наименьшее общее кратное 3 и 2 равно 6: нужно два алюминия и три кислорода, получается Al₂O₃.

Для магния II и хлора I достаточно одного магния и двух хлоров: MgCl₂. Проверка соотношения: 1 · 2 = 2 · 1. Эти упражнения показывают, как получить индексы в принятой учебной модели, а не как синтезировать вещество.

Такой способ не даёт права сокращать любую готовую молекулярную формулу. Например, H₂O₂ нельзя превратить в HO простым делением индексов: это потеря сведений о составе молекулы. Не следует также выводить произвольную молекулярную структуру только из двух чисел валентности. Используйте метод в рамках конкретного задания и выбранного типа соединений.

Если дано уже готовое бинарное соединение Al₂O₃ и кислороду назначена валентность II, можно найти школьное значение для алюминия: 2V = 3 · 2, значит, V = III. Запись внешне похожа на расчёт степени окисления, но в ней нет алгебраических зарядов. Сходство арифметики не отменяет различия понятий.

Задания для самостоятельной работы

В первых заданиях используются обычные значения для приведённых соединений. В вопросах о валентности опирайтесь на указанную структуру или на заданные валентности второго элемента. В вопросах о степени окисления обязательно составьте сумму.

1. Найдите степень окисления углерода в CH₄ и CO₂.
2. Найдите степень окисления серы в SO₂.
3. Найдите степень окисления магния в MgCl₂, если хлор имеет −1.
4. Найдите степень окисления алюминия в Al₂O₃.
5. Найдите степень окисления серы в K₂S.
6. Найдите степень окисления азота в NH₄⁺.
7. Найдите степень окисления углерода в Na₂CO₃.
8. Найдите степень окисления хлора в KClO₃, используя −2 для кислорода.
9. В H₂O₂ водород имеет +1. Найдите степень окисления кислорода и объясните, почему обычное значение −2 не подходит.
10. В ионе CO₃²⁻ кислород имеет −2. Найдите степень окисления углерода.
11. В структуре N≡N определите валентность азота и его степень окисления в простом веществе N₂.
12. Составьте формулу соединения Mg с Cl по заданным валентностям II и I; формулу соединения Al с O по III и II.
13. Исправьте запись «валентность кислорода в воде −II».
14. Верно ли правило «валентность всегда равна степени окисления без знака»? Приведите контрпример.

Ответы и самопроверка

Сравните своё уравнение с приведённым. Если итог совпал случайно, а сумма составлена без индекса или с неверным зарядом, рассуждение нужно исправить.

1. В CH₄: x + 4 = 0, C имеет −4. В CO₂: x − 4 = 0, C имеет +4.
2. x − 4 = 0; S имеет +4.
3. x + 2 · (−1) = 0; Mg имеет +2.
4. 2x − 6 = 0; Al имеет +3.
5. 2 · (+1) + x = 0; S имеет −2.
6. x + 4 = +1; N имеет −3.
7. 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0; C имеет +4.
8. (+1) + x + 3 · (−2) = 0; Cl имеет +5.
9. 2 · (+1) + 2x = 0; O имеет −1. Это пероксид, для которого значение −2 не подходит.
10. x − 6 = −2; C имеет +4.
11. Тройная связь даёт валентность III, степень окисления азота в N₂ равна 0.
12. MgCl₂ и Al₂O₃; соотношения 1 · 2 = 2 · 1 и 2 · 3 = 3 · 2.
13. Валентность кислорода II, степень окисления в воде −2. Знак не относится к валентности.
14. Нет. У O в O₂ валентность II, степень окисления 0; у O в H₂O₂ валентность II, степень окисления −1 при структуре H–O–O–H.

Перед сдачей проверьте три вещи: какую характеристику вы определяли, все ли индексы попали в расчёт и чему должна равняться сумма. Для нейтральной формулы требуется нуль, для иона — его общий заряд. Если проверка не сходится, сначала найдите потерянный индекс или исключение из правила, а не меняйте знак последнего ответа наугад.