Как определить, сколько связей образует атом и какой его заряд. Два инструмента, одна цель — предсказать формулы соединений.
Оба термина описывают способность атома образовывать связи, но подходят к этому совершенно по-разному. Путаница между ними — частая ошибка.
Валентность — это сколько связей, всегда положительное целое число, пишется римскими цифрами. Степень окисления — это условный заряд, бывает со знаком и нулём, пишется арабскими цифрами со знаком впереди: +6, −2.
Пока вещество простое, разница кажется придиркой. Вот примеры, где путаница сразу стоит балла.
| Вещество | Строение | Валентность | Степень окисления | Почему расходятся |
|---|---|---|---|---|
| N₂ | N≡N | III | 0 | Связи есть, но между одинаковыми атомами — электроны никуда не смещены |
| H₂O₂ | H–O–O–H | II (у O) | −1 | Связь O–O не даёт вклада в заряд: атомы одинаковы |
| CH₄ / CH₃OH / CO₂ | 4 связи везде | IV | −4 / −2 / +4 | Число связей то же, а партнёры разные |
| NH₄+ | 4 связи у N | IV | −3 | Четвёртая связь — донорно-акцепторная, заряда не добавляет |
«У азота в NH4+ валентность V» — нет. Валентность азота максимум IV: на втором уровне всего четыре орбитали. А вот степень окисления +5 у азота бывает — например, в HNO3, где его валентность всё равно IV. Валентность V у азота не существует никогда.
Валентность в обоих случаях IV — углерод везде образует четыре связи. А степень окисления разная: в CH4 она −4 (углерод электроотрицательнее водорода), в CO2 — +4 (кислород электроотрицательнее углерода). Число связей одно, а вот куда смещены электроны — противоположно.
Валентность показывает, на сколько «крючочков» способен атом присоединить соседей. Эти «крючочки» — неспаренные электроны на внешнем уровне.
Валентность атома — это число ковалентных связей, которые он образует с другими атомами. Обозначается римской цифрой: I, II, III, IV и т.д.
Посмотри на внешний уровень (валентный слой) атома:
| Элемент | Электронная формула (внешний уровень) | Неспаренных e- | Валентность | Пример соединения |
|---|---|---|---|---|
| H | 1s1 | 1 | I | HCl, H₂O |
| C | [He] 2s2 2p2 | 2* | IV | CH₄, CO₂ |
| N | [He] 2s2 2p3 | 3 | III | NH₃, NO₂ |
| O | [He] 2s2 2p4 | 2 | II | H₂O, CO₂ |
| Cl | [Ne] 3s2 3p5 | 1 | I | HCl, NaCl |
* У углерода в основном состоянии 2 неспаренных электрона (2p2), но он способен к возбуждению: один электрон из 2s может перейти в пустую орбиталь 2p, дав 4 неспаренных электрона. Потому углерод образует 4 связи в CH₄.
Валентность в данном соединении = числу неспаренных электронов атома в том состоянии, в котором он вступил в связь. Хочешь узнать возможные валентности — посмотри, до скольких неспаренных электрон может «распариться».
Сера (Z = 16): [Ne] 3s2 3p4. Ключевой момент — третий уровень, а значит есть свободный 3d-подуровень, куда можно распариваться.
→ Основное состояние: 3s23p4 → 2 неспаренных → валентность II. Пример: H₂S.
→ Первое возбуждение: распарилась p-пара, электрон ушёл на 3d: 3s23p33d1 → 4 неспаренных → валентность IV. Пример: SO₂.
→ Второе возбуждение: распарилась и s-пара: 3s13p33d2 → 6 неспаренных → валентность VI. Пример: SO₃, H₂SO₄.
Кислород стоит прямо над серой и имеет ту же формулу внешнего уровня — но он во втором периоде, где 2d-подуровня не существует. Распариваться некуда, поэтому у кислорода валентность только II.
Высшая валентность = номеру группы (Cl в VII группе → до VII в Cl₂O₇). Исключения, которые надо просто знать: O — только II, F — только I, N — максимум IV. У всех троих нет d-подуровня на своём уровне, распариваться некуда.
| Элемент | Возможные валентности | Примеры |
|---|---|---|
| H, F | I | HCl, HF |
| O | II | H₂O, CO₂ |
| N | III, IV | NH₃ · NH₄+, HNO₃ |
| C | II, IV | CO · CH₄, CO₂ |
| S | II, IV, VI | H₂S · SO₂ · SO₃ |
| P | III, V | PH₃ · P₂O₅ |
| Cl | I, III, V, VII | HCl · HClO₂ · HClO₃ · HClO₄ |
У Cl семь внешних электронов: 3s23p5 — один неспаренный. Каждое распаривание добавляет сразу два неспаренных: 1 → 3 → 5 → 7. Отсюда ряд I, III, V, VII без чётных значений. У серы стартовых неспаренных два, поэтому ряд чётный: II, IV, VI.
Есть второй способ образовать связь: один атом даёт готовую электронную пару, второй — пустую орбиталь. Связь получается такой же, как обычная, но неспаренные электроны для неё не нужны.
В NH₃ азот образует три обычные связи по своим 2p3, и у него остаётся неподелённая электронная пара на 2s2.
Ион H+ — это голый протон, у него пустая орбиталь и ни одного электрона.
Азот отдаёт свою пару в общее пользование → возникает четвёртая связь. Азот здесь донор, ион водорода — акцептор.
Итог: валентность азота IV, степень окисления −3, заряд иона +1.
Тот же механизм работает в BF₄- (донор — F-, акцептор — бор с пустой орбиталью) и во всех комплексных ионах вроде [Al(OH)₄]-.
У F конфигурация 2s22p5 — один неспаренный электрон. Чтобы получить больше, надо распарить пару, но свободных орбиталей на втором уровне нет, а 2d не существует. Валентность фиксирована: I. Правило «высшая валентность = номер группы» на нём и ломается.
Степень окисления — это условно приписанный заряд атома в соединении, если считать все связи полностью ионными. Удобный инструмент для отслеживания переноса электронов в окислительно-восстановительных реакциях.
Степень окисления — это число электронов, отданных (+) или полученных (−) атомом при условии, что все связи в молекуле рассматриваются как ионные.
Пероксиды (H₂O₂, BaO₂): кислород имеет степень окисления −I, а не −II. Гидриды металлов (NaH): водород −1. Фтор всегда −1 (даже в OF₂: F(−1), O(+2)).
Соединение нейтрально → сумма всех степеней окисления = 0.
→ H: +1 → два водорода дают +2
→ O: −2 → четыре кислорода дают −8
→ Составляем уравнение: 2 + x − 8 = 0, откуда x = +6
Итог: H(+1), S(+6), O(−2)
Степень окисления — это не произвол. Электроны в связи смещаются к тому атому, который сильнее их притягивает. Эта «сила притяжения» и есть электроотрицательность (ЭО).
В связи между разными атомами электроны условно отдают более электроотрицательному: он получает знак минус, партнёр — плюс. В связи между одинаковыми атомами (O–O, N≡N, C–C) электроны не смещаются — вклад в степень окисления нулевой.
ЭО растёт вправо по периоду (заряд ядра больше, радиус меньше) и вверх по группе (внешний уровень ближе к ядру). Значит, самый электроотрицательный — правый верхний угол, фтор. Самые электроположительные — левый нижний, франций и цезий.
Крайние значения не запоминают — их считают по положению элемента в таблице.
Атом отдал все валентные электроны. S в VI группе → +6 (H₂SO₄), Cl в VII → +7 (HClO₄), Mn в VIIB → +7 (KMnO₄).
Только для неметаллов: атом достроил уровень до октета. S: 6 − 8 = −2 (H₂S), Cl: 7 − 8 = −1 (HCl), N: 5 − 8 = −3 (NH₃).
Фтор — только −1, никаких +7. Кислород — высшая +2 лишь в OF₂, обычно −2. Медь и железо из побочных подгрупп не дотягивают до номера группы: у Fe (VIIIB) реальный максимум +6, у Cu (IB) — +2. У металлов низшей отрицательной степени окисления не бывает вовсе.
Фосфор в VA-группе. Высшая: +5 (P₂O₅, H₃PO₄). Низшая: 5 − 8 = −3 (PH₃, фосфин). Между ними встречается +3 (P₂O₃, H₃PO₃).
Степень окисления указывает на окислительное состояние элемента. Если степень окисления атома увеличилась, элемент отдал электроны (окисление). Если уменьшилась — принял электроны (восстановление).
S(−2)
Сера получила электроны, восстановленная форма.
S(0)
Окисляется в обе стороны: и к H₂S, и к SO₂.
S(+4)
Сера отдала электроны, окисленная форма.
Та же сера, но в разных соединениях её состояние электронов разное. Степень окисления показывает эту разницу.
В задачах по ОВР ты будешь обводить элементы, чья степень окисления изменилась. Эти элементы — участники электронного обмена, они и определяют тип реакции.
Вот алгоритм, который работает для 99% случаев. Выполни его по порядку — ошибок не будет.
Шаг 1: Это ион (+1 заряд) → сумма O.C. должна = +1
Шаг 2: H = +I → четыре водорода = +4
Шаг 3: Уже роздано: +4
Шаг 4: Найди азот: x + 4 = +1 → x = −3
Ответ: N(−3), H(+1)
Шаг 1: Молекула (нейтральна) → сумма O.C. = 0
Шаг 2: K(+1), O(−2) → 1 + 4·(−2) = 1 − 8 = −7 уже
Шаг 3: Осталось марганцу
Шаг 4: x − 7 = 0 → x = +7
Ответ: K(+1), Mn(+7), O(−2)
Шаг 1: Молекула → сумма O.C. = 0
Шаг 2: K(+1), O(−2) → 2·1 + 7·(−2) = 2 − 14 = −12
Шаг 3: Два хрома делят оставшиеся электроны
Шаг 4: 2x − 12 = 0 → 2x = 12 → x = +6
Ответ: K(+1), Cr(+6), O(−2)
Запомни, какие степени окисления проявляет каждый элемент — это сбережёт время на экзамене.
Неметаллы часто проявляют несколько О.С., особенно по краям (углерод, азот, хлор). Металлы обычно выше (Na, K — только +I). d-элементы и галогены в соединениях с кислородом показывают максимальные положительные О.С.
Все они звучат правдоподобно — потому и живучи.
Валентность и степень окисления — одно и то же, просто пишутся по-разному.
Совпадают они только случайно. В N₂ валентность III, а степень окисления 0. В H₂O₂ у кислорода валентность II, степень окисления −1.
В пероксиде водорода H₂O₂ кислород, как обычно, −2.
В H–O–O–H связь O–O не даёт вклада: каждый кислород получает −1. Проверка: 2·(+1) + 2·(−1) = 0 ✓
Кислород всегда самый электроотрицательный, значит всегда со знаком минус.
Есть один элемент сильнее — фтор. В OF₂ кислород получает +2, а фтор остаётся при своём −1.
Водород всегда +1.
В гидридах металлов (NaH, CaH₂) металл электроположительнее водорода, поэтому водород получает −1.
Раз азот в VA-группе, его высшая валентность V.
Валентность азота максимум IV — на втором уровне всего четыре орбитали. Степень окисления +5 при этом существует (HNO₃).
Не заглядывай в ответ сразу. Попробуй сам — и только потом раскрывай.
Молекула → сумма О.С. = 0. Молекула содержит 1 Ca, 2 O, 2 H.
Ca — металл II группы: Ca(+2)
H: H(+1), два водорода = +2
O: O(−2), два кислорода = −4
Проверка: +2 + 2 − 4 = 0 ✓
Ответ: Ca(+2), O(−2), H(+1)
Это ион с зарядом −1 → сумма О.С. = −1.
O: O(−2), три кислорода = −6
Азот: x + (−6) = −1 → x = +5
Ответ: N(+5), O(−2)
Молекула → сумма = 0. Два фосфора, пять кислородов.
O: O(−2) → 5·(−2) = −10
Два фосфора: 2x + (−10) = 0 → 2x = 10 → x = +5
Ответ: P(+5), O(−2)
Молекула → сумма = 0. K(+1), O(−2), Cr(?).
2·1 + x + 4·(−2) = 0 → 2 + x − 8 = 0 → x = +6
Ответ: K(+1), Cr(+6), O(−2)
Молекула → сумма = 0. 2H(+1) = +2, 3O(−2) = −6.
Два атома серы: 2 + 2x − 6 = 0 → 2x = 4 → x = +2
Формальный расчёт даёт среднее значение +2. На деле атомы серы неравноценны: центральный имеет +6, а «тиошный» (заменивший кислород) — −2. Среднее: (+6 − 2)/2 = +2 ✓
Ответ: H(+1), S(+2 в среднем), O(−2)
OF₂: +2. Фтор электроотрицательнее кислорода, поэтому минус достаётся ему: 2·(−1) + x = 0 → x = +2.
H₂O₂: −1. Связь O–O между одинаковыми атомами вклада не даёт.
O₂: 0. Простое вещество.
Три разных ответа для одного элемента — вот почему «кислород всегда −2» опасное упрощение.
Считаем для каждой: H(+1), O(−2), сумма = 0.
Ответ: 2. Заодно запомни ряд кислот хлора: хлорноватистая → хлористая → хлорноватая → хлорная.
| Вещество | Валентность | Степень окисления |
|---|---|---|
| H₂S | II | −2 |
| S₈ | II | 0 |
| SO₂ | IV | +4 |
| H₂SO₄ | VI | +6 |
В S₈ атомы серы связаны в кольцо, у каждого по две связи с соседями — валентность II, но степень окисления 0, ведь партнёры одинаковы. Это лучший пример того, как две характеристики расходятся.
Формально: 3x + 4·(−2) = 0 → 3x = 8 → x = +8/3. Дробь пугает, но она честная — это среднее.
Реально Fe₃O₄ — смешанный оксид FeO·Fe₂O₃: один атом железа имеет +2, два других по +3. Проверка: (2 + 3 + 3)/3 = 8/3 ✓
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно