Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в сполуці, обчислений у припущенні, що всі зв'язки між атомами іонні. Він показує, скільки електронів атом віддав або притягнув до себе. На цій сторінці — зрозуміле визначення, всі правила визначення ступеня окиснення, таблиця сталих значень, покроковий алгоритм розстановки та інтерактивний тренажер, на якому можна одразу закріпити тему.
Що таке ступінь окиснення
Ступінь окиснення (СО) — це умовний заряд атома в молекулі, який він мав би, якби всі електрони спільних пар повністю перейшли до більш електронегативного атома. Простіше кажучи, це «лічильник» електронів: атом, який віддає електрони, отримує додатний ступінь окиснення, а той, який їх притягує, — від'ємний.
Ступінь окиснення завжди записують зі знаком перед числом і ставлять над символом елемента: наприклад, у воді H₂O у водню +1, у кисню −2. Це відрізняє його від заряду іона (S²⁻, Fe³⁺), де знак пишуть після числа.
Ступінь окиснення може бути додатним, від'ємним або нульовим, і у багатьох елементів він змінний — змінюється від сполуки до сполуки. Саме тому його потрібно вміти визначати, а не просто запам'ятовувати.
Правила ступеня окиснення: таблиця сталих значень
Щоб визначити ступінь окиснення, потрібно знати кілька твердих правил. Частина елементів має сталий ступінь окиснення у будь-яких сполуках — їхні значення зібрані в таблиці-пам'ятці нижче. Саме з них починається розстановка.
Окрім сталих значень, працюють три головні правила:
- у простій речовині ступінь окиснення будь-якого атома дорівнює 0 (Fe, O₂, H₂, S₈);
- сума ступенів окиснення всіх атомів у молекулі дорівнює 0 — молекула електронейтральна;
- в іоні сума ступенів окиснення дорівнює заряду іона (наприклад, у SO₄²⁻ сума дорівнює −2).
| Елемент | Ступінь окиснення | Винятки |
|---|---|---|
| Проста речовина O₂, H₂, Fe, Cu, S | 0 | винятків немає |
| Флуор F | −1 | завжди −1, інших значень не буває |
| Метали I групи Na, K, Li, Ag | +1 | сталий |
| Метали II групи Ca, Mg, Zn, Ba | +2 | сталий |
| Алюміній Al | +3 | сталий |
| Водень H | +1 | −1 у гідридах металів: NaH, CaH₂ |
| Кисень O | −2 | −1 у пероксидах (H₂O₂); +2 у OF₂ |
Як визначити ступінь окиснення у сполуці
Коли у формулі є елемент зі змінним ступенем окиснення (сірка, азот, хлор, марганець, фосфор), його знаходять через рівняння. Алгоритм універсальний: спочатку розставляємо все, що знаємо напевно, потім невідоме позначаємо за x і розв'язуємо рівняння суми. П'ять кроків — нижче.
0, далі рахувати не потрібно+1, кисень −2, флуор −1 — за таблицею вище0 для молекули або = заряду для іона+ або −Вищий та нижчий ступінь окиснення
У елемента є вищий та нижчий ступінь окиснення — крайні значення, між якими лежать усі інші.
- Вищий ступінь окиснення зазвичай дорівнює номеру групи в Періодичній таблиці (для елементів головних підгруп). Наприклад, сірка у VI групі → вищий СО +6 (H₂SO₄), азот у V групі → +5 (HNO₃), хлор у VII групі → +7 (HClO₄). Він проявляється у сполуках з більш електронегативними елементами — найчастіше з киснем.
- Нижчий ступінь окиснення для неметалів дорівнює номер групи мінус 8. Для сірки це 6 − 8 = −2 (H₂S), для азоту 5 − 8 = −3 (NH₃). Він проявляється у сполуках з воднем та металами.
Винятки є: наприклад, у флуору вищого додатного СО не буває — він найбільш електронегативний і завжди −1; у кисню вищий СО +2 зустрічається тільки в OF₂.
Приклади визначення ступеня окиснення
Приклад 1. Сірка в H₂SO₄
Завдання: визначити ступінь окиснення сірки в сульфатній кислоті H₂SO₄.
Крок 1. Це не проста речовина — у формулі три елементи.
Крок 2. Розставляємо сталі СО: водень +1 (2 атоми), кисень −2 (4 атоми).
Крок 3. Ступінь окиснення сірки невідомий — позначимо його за x.
Крок 4. Складаємо рівняння (сума всіх СО в молекулі = 0):
Крок 5. Розв'язуємо: \(2 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +6\).
Відповідь: ступінь окиснення сірки в H₂SO₄ дорівнює +6.
Приклад 2. Марганець у KMnO₄
Завдання: визначити ступінь окиснення марганцю в перманганаті калію KMnO₄.
Крок 1–2. Сталі СО: калій (метал I групи) +1, кисень −2 (4 атоми).
Крок 3. Марганець — елемент зі змінним СО, позначимо за x.
Крок 4. Рівняння суми:
Крок 5. Розв'язуємо: \(1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7\).
Відповідь: ступінь окиснення марганцю дорівнює +7 — це його вищий ступінь окиснення (Mn у VII групі).
Приклад 3. Визначення за формулою оксиду Fe₂O₃
Завдання: визначити ступінь окиснення заліза в оксиді Fe₂O₃.
Крок 1–2. Кисень завжди −2, атомів кисню 3, отже сумарний внесок кисню: \(3 \cdot (-2) = -6\).
Крок 3. Ступінь окиснення заліза позначимо за x, атомів заліза 2.
Крок 4. Рівняння: \(2x + 3 \cdot (-2) = 0\).
Крок 5. Розв'язуємо: \(2x - 6 = 0 \Rightarrow 2x = 6 \Rightarrow x = +3\).
Відповідь: ступінь окиснення заліза дорівнює +3. Перевірка: два атоми по +3 дають +6, три атоми кисню дають −6, сума 0 — правильно.
Часті помилки при визначенні ступеня окиснення
-
Плутають ступінь окиснення з валентністю.
Валентність — це число хімічних зв'язків атома, у неї немає знака (завжди додатне число: I, II, III). Ступінь окиснення — умовний заряд зі знаком (+ або −) і може бути нульовим. Наприклад, у N₂ валентність азоту III, а ступінь окиснення — 0.
-
Неправильно ставлять знак: пишуть число, а потім плюс або мінус (2+ замість +2).
У ступеня окиснення знак ставиться ПЕРЕД числом і над символом елемента: +2, −3, +6. Запис зі знаком після числа (S²⁻) стосується заряду іона, а не ступеня окиснення.
-
Вважають, що кисень завжди −2, а водень завжди +1.
Це працює майже завжди, але є винятки. Кисень у пероксидах (H₂O₂) має СО −1, а в OF₂ навіть +2. Водень у гідридах металів (NaH, CaH₂) має СО −1, тому що метал ще більш електропозитивний.
-
Забувають, що сума ступенів окиснення в молекулі дорівнює нулю.
Молекула електронейтральна, тому сума (СО × кількість атомів) за всіма елементами завжди = 0. Для іона ця сума дорівнює заряду іона. Це головне рівняння, з якого знаходять невідомий ступінь окиснення.
-
Не множать ступінь окиснення на кількість атомів елемента.
У рівнянні суми кожну СО потрібно помножити на індекс (кількість атомів). У H₂SO₄ водень дає не +1, а 2·(+1) = +2, кисень не −2, а 4·(−2) = −8. Пропуск індексу — найчастіша арифметична помилка.
Запитання та відповіді
Чим ступінь окиснення відрізняється від валентності?
Валентність показує число хімічних зв'язків атома і не має знака (її позначають римськими цифрами: I, II, III). Ступінь окиснення — це умовний заряд атома, у нього є знак (+ або −) і він може бути нульовим або дробовим. У багатьох елементів ці значення збігаються за модулем, але не завжди: у молекулі N₂ валентність азоту дорівнює III, а ступінь окиснення — 0.
Як визначити вищий ступінь окиснення елемента?
Вищий (максимальний додатний) ступінь окиснення елемента головної підгрупи дорівнює номеру його групи в Періодичній таблиці. Наприклад, сірка у VI групі має вищий СО +6, азот у V групі — +5, хлор у VII групі — +7. Він проявляється у сполуках з киснем. Винятки: у кисню та флуору вищого додатного СО, що дорівнює номеру групи, не буває.
Як визначити нижчий ступінь окиснення?
Для неметалів нижчий (мінімальний) ступінь окиснення дорівнює номер групи мінус 8. Для сірки це 6 − 8 = −2 (у H₂S), для азоту 5 − 8 = −3 (у NH₃), для хлору 7 − 8 = −1 (у HCl). Нижчий СО проявляється у сполуках з воднем та металами. У металів нижчий ступінь окиснення — 0 (у простій речовині).
Який ступінь окиснення у простої речовини?
У будь-якого атома в простій речовині ступінь окиснення дорівнює 0. Це стосується і металів (Fe, Cu, Na), і неметалів (O₂, H₂, S₈, Cl₂, P₄). Причина проста: атоми одного елемента однаково притягують спільні електрони, тому умовний заряд дорівнює нулю.
Чи завжди кисень має ступінь окиснення −2?
Майже завжди, але є два винятки. У пероксидах (H₂O₂, Na₂O₂) ступінь окиснення кисню дорівнює −1, тому що атоми кисню пов'язані один з одним. У сполуці з флуором OF₂ кисень має додатний СО +2, оскільки флуор ще більш електронегативний.
Чи може ступінь окиснення бути дробовим?
Так, але це середня (формальна) величина. Наприклад, у Fe₃O₄ середній ступінь окиснення заліза дорівнює +8/3, тому що у формулі змішані атоми з СО +2 та +3. У шкільному курсі такі випадки розбирають рідко — зазвичай ступінь окиснення цілочисельний.
