چگونه ظرفیت با حالت اکسیداسیون متفاوت است؟ شیمی معدنی حالت های اکسیداسیون و ظرفیت عناصر چیست؟

در میان واکنش های شیمیایی، از جمله در طبیعت، واکنش های ردوکسرایج ترین هستند. به عنوان مثال، فتوسنتز، متابولیسم، فرآیندهای بیولوژیکی، و همچنین احتراق سوخت، تولید فلزات و بسیاری از واکنش‌های دیگر از جمله این موارد است. واکنش‌های ردوکس مدت‌هاست که با موفقیت توسط بشر برای اهداف مختلف استفاده می‌شود، اما نظریه الکترونیکی فرآیندهای اکسیداسیون و کاهش خود اخیراً - در آغاز قرن بیستم ظاهر شد.

برای حرکت به سمت نظریه مدرن اکسیداسیون-کاهش، لازم است چندین مفهوم را معرفی کنیم - اینها عبارتند از ظرفیت، حالت اکسیداسیون و ساختار پوسته های الکترونیکی اتم ها. در حین مطالعه بخش هایی مانند عناصر و عناصر، قبلاً با این مفاهیم مواجه شده ایم. در مرحله بعد، اجازه دهید آنها را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.

ظرفیت و حالت اکسیداسیون

ظرفیت- مفهوم پیچیده ای که همراه با مفهوم پیوند شیمیایی پدید آمده و به عنوان ویژگی اتم ها برای اتصال یا جایگزینی تعداد معینی از اتم های یک عنصر دیگر تعریف می شود. توانایی اتم ها برای تشکیل پیوندهای شیمیایی در ترکیبات است. در ابتدا، ظرفیت توسط هیدروژن (ظرفیت آن 1 در نظر گرفته شد) یا اکسیژن (ظرفیت آن 2 در نظر گرفته شد) تعیین می شد. بعداً آنها شروع به تمایز بین ظرفیت مثبت و منفی کردند. از نظر کمی، ظرفیت مثبت با تعداد الکترون‌های اهدایی یک اتم مشخص می‌شود و ظرفیت منفی با تعداد الکترون‌هایی مشخص می‌شود که برای اجرای قانون هشت‌گانه (یعنی تکمیل سطح انرژی خارجی) باید به اتم اضافه شوند. بعدها، مفهوم ظرفیت نیز شروع به ترکیب ماهیت پیوندهای شیمیایی که بین اتم ها در اتصال آنها ایجاد می شود، شد.

به عنوان یک قاعده، بالاترین ظرفیت عناصر مربوط به شماره گروه در جدول تناوبی است. اما، مانند همه قوانین، استثناهایی وجود دارد: به عنوان مثال، مس و طلا در گروه اول جدول تناوبی قرار دارند و ظرفیت آنها باید برابر با عدد گروه باشد. 1، اما در واقع بالاترین ظرفیت مس 2 و طلا 3 است.

حالت اکسیداسیونگاهی اوقات عدد اکسیداسیون، ظرفیت الکتروشیمیایی یا حالت اکسیداسیون نامیده می شود و یک مفهوم نسبی است. بنابراین، هنگام محاسبه حالت اکسیداسیون، فرض می شود که مولکول فقط از یون ها تشکیل شده است، اگرچه اکثر ترکیبات به هیچ وجه یونی نیستند. از نظر کمی، درجه اکسیداسیون اتم های یک عنصر در یک ترکیب با تعداد الکترون های متصل به اتم یا جابجایی از اتم تعیین می شود. بنابراین، در غیاب جابجایی الکترون، حالت اکسیداسیون صفر خواهد بود، زمانی که الکترون ها به سمت یک اتم معین جابجا شوند، منفی و زمانی که الکترون ها از یک اتم معین جابجا شوند، مثبت خواهد بود.

تعریف کردن حالت اکسیداسیون اتم هاقوانین زیر باید رعایت شود:

1. در مولکول های مواد ساده و فلزات، حالت اکسیداسیون اتم ها صفر است.
2. هیدروژن تقریباً در تمام ترکیبات حالت اکسیداسیونی برابر با 1+ دارد (و فقط در هیدریدهای فلزات فعال برابر با 1-).
3. برای اتم های اکسیژن موجود در ترکیبات آن، حالت اکسیداسیون معمولی -2 است (به استثنای 2 و پراکسیدهای فلزی، حالت اکسیداسیون اکسیژن به ترتیب +2 و -1 است).
4. اتم های فلزات قلیایی (+1) و قلیایی خاکی (+2) و همچنین فلوئور (-1) نیز حالت اکسیداسیون ثابتی دارند.
5. در ترکیبات یونی ساده، حالت اکسیداسیون از نظر قدر و علامت با بار الکتریکی آن برابر است.
6. برای یک ترکیب کووالانسی، اتم الکترونگاتیو بیشتر حالت اکسیداسیون با علامت «-» دارد و اتم الکترونگاتیو کمتر دارای علامت «+» است.
7. برای ترکیبات پیچیده، حالت اکسیداسیون اتم مرکزی نشان داده شده است.
8. مجموع حالت های اکسیداسیون اتم ها در یک مولکول صفر است.

به عنوان مثال، بیایید وضعیت اکسیداسیون Se را در ترکیب H 2 SeO 3 تعیین کنیم

بنابراین، حالت اکسیداسیون هیدروژن +1، اکسیژن -2، و مجموع همه حالت های اکسیداسیون 0 است، بیایید با در نظر گرفتن تعداد اتم های ترکیب H 2 + Sex O 3 -2 یک عبارت ایجاد کنیم:

(+1)2+x+(-2)3=0، از آنجاست

آن ها H 2 + Se +4 O 3 -2

با دانستن وضعیت اکسیداسیون یک عنصر در یک ترکیب، می توان خواص شیمیایی و واکنش پذیری آن نسبت به سایر ترکیبات و همچنین پیش بینی اینکه آیا این ترکیب است یا خیر. عامل کاهندهیا عامل اکسید کننده. این مفاهیم به طور کامل در نظریه های اکسیداسیون-کاهش:

• اکسیداسیونفرآیند از دست دادن الکترون توسط یک اتم، یون یا مولکول است که منجر به افزایش حالت اکسیداسیون می شود.

Al 0 -3e - = Al +3 ;

2O -2 -4e - = O 2 ;

2Cl - -2e - = Cl 2

• بهبود -این فرآیندی است که طی آن یک اتم، یون یا مولکول الکترون به دست می آورد و در نتیجه حالت اکسیداسیون کاهش می یابد.

Ca +2 +2e - = Ca 0 ;

2H + +2e - =H 2

• عوامل اکسید کننده- ترکیباتی که در طی یک واکنش شیمیایی الکترون ها را می پذیرند و عوامل کاهش دهنده- ترکیبات الکترون دهنده عوامل کاهنده در طی یک واکنش اکسید می شوند و عوامل اکسید کننده کاهش می یابند.
• ماهیت واکنش های ردوکس- حرکت الکترون ها (یا جابجایی جفت الکترون ها) از یک ماده به ماده دیگر، همراه با تغییر در حالت های اکسیداسیون اتم ها یا یون ها. در چنین واکنش هایی نمی توان یک عنصر را بدون کاهش عنصر دیگر اکسید کرد، زیرا انتقال الکترون ها همیشه باعث اکسیداسیون و کاهش می شود. بنابراین، تعداد کل الکترون‌هایی که در طول اکسیداسیون از یک عنصر برداشته می‌شوند، با تعداد الکترون‌هایی است که توسط عنصر دیگر در حین کاهش به دست می‌آید.

بنابراین، اگر عناصر موجود در ترکیبات در بالاترین حالت اکسیداسیون خود باشند، به دلیل اینکه دیگر نمی‌توانند الکترون‌ها را رها کنند، فقط خواص اکسیدکننده را از خود نشان می‌دهند. برعکس، اگر عناصر موجود در ترکیبات در کمترین حالت اکسیداسیون خود باشند، تنها خواص کاهشی از خود نشان می دهند، زیرا آنها دیگر نمی توانند الکترون اضافه کنند. اتم های عناصر در حالت اکسیداسیون میانی، بسته به شرایط واکنش، می توانند هم عامل اکسید کننده و هم عامل کاهنده باشند. بیایید مثالی بزنیم: گوگرد در بالاترین حالت اکسیداسیون +6 در ترکیب H 2 SO 4 فقط می تواند خاصیت اکسید کنندگی را نشان می دهد ، در ترکیب H 2 S - گوگرد در پایین ترین حالت اکسیداسیون -2 قرار دارد و فقط خواص کاهشی را نشان می دهد. در ترکیب H 2 SO 3 که در حالت اکسیداسیون میانی +4 قرار دارد، گوگرد می تواند هم یک عامل اکسید کننده و هم یک عامل کاهنده باشد.

بر اساس حالت های اکسیداسیون عناصر، احتمال واکنش بین مواد را می توان پیش بینی کرد. واضح است که اگر هر دو عنصر در ترکیبات خود در حالت اکسیداسیون بالاتر یا پایین تر باشند، واکنش بین آنها غیرممکن است. در صورتی که یکی از ترکیبات بتواند خواص اکسید کننده و دیگری خواص کاهنده داشته باشد، واکنش ممکن است. به عنوان مثال، در HI و H2S، هر دو ید و گوگرد در پایین ترین حالت اکسیداسیون خود (1- و -2) قرار دارند و فقط می توانند عوامل کاهنده باشند، بنابراین با یکدیگر واکنش نشان نمی دهند. اما آنها به خوبی با H 2 SO 4 که با خواص کاهشی مشخص می شود، تعامل خواهند داشت، زیرا گوگرد در اینجا در بالاترین حالت اکسیداسیون خود قرار دارد.

مهمترین عوامل احیا کننده و اکسید کننده در جدول زیر ارائه شده است.

مرمت کننده ها
اتم های خنثی	طرح کلی M-ne →Mn+ تمام فلزات و همچنین هیدروژن و کربن قوی ترین عوامل احیا کننده فلزات قلیایی و قلیایی خاکی و همچنین لانتانیدها و اکتینیدها هستند. عوامل احیا کننده ضعیف فلزات نجیب هستند - طلا، نقره، پلاتین، آهن، Os، Pd، Ru، Rh. در زیر گروه های اصلی جدول تناوبی، توانایی کاهش اتم های خنثی با افزایش عدد اتمی افزایش می یابد.
یون های غیر فلزی با بار منفی	طرح کلی E +ne - → En- یون های دارای بار منفی به دلیل اینکه می توانند هم الکترون های اضافی و هم الکترون های بیرونی خود را اهدا کنند، عوامل کاهنده قوی هستند. قدرت کاهنده، با همان بار، با افزایش شعاع اتمی افزایش می یابد. به عنوان مثال، I یک عامل کاهنده قوی تر از Br - و Cl - است. عوامل کاهنده همچنین می توانند S 2-، Se 2-، Te 2- و غیره باشند.
یون های فلزی با بار مثبت پایین ترین حالت اکسیداسیون	یون‌های فلزی با حالت‌های اکسیداسیون پایین‌تر، اگر با حالت‌هایی با حالت اکسیداسیون بالاتر مشخص شوند، می‌توانند خواص کاهشی از خود نشان دهند. مثلا، Sn 2+ -2e — → Sn 4+ Cr 2+ -e — → Cr 3+ Cu + -e — → Cu 2+
یون های پیچیده و مولکول های حاوی اتم ها در حالت های اکسیداسیون متوسط	یون‌های پیچیده یا پیچیده، و همچنین مولکول‌ها، اگر اتم‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها در حالت اکسیداسیون متوسط ​​باشند، می‌توانند خواص کاهشی از خود نشان دهند. مثلا، SO 3 2-، NO 2 -، AsO 3 3-، 4-، SO 2، CO، NO و دیگران.
	کربن، مونوکسید کربن (II)، آهن، روی، آلومینیوم، قلع، اسید سولفوره، سولفیت و بی سولفیت سدیم، سولفید سدیم، تیوسولفات سدیم، هیدروژن، جریان الکتریکی
عوامل اکسید کننده
اتم های خنثی	طرح کلی E + ne- → E n- عوامل اکسید کننده اتم های عناصر p هستند. غیر فلزات معمولی فلوئور، اکسیژن، کلر هستند. قوی ترین عوامل اکسید کننده هالوژن و اکسیژن هستند. در زیر گروه های اصلی گروه های 7، 6، 5 و 4، فعالیت اکسیداتیو اتم ها از بالا به پایین کاهش می یابد.
یون های فلزی با بار مثبت	تمام یون‌های فلزی با بار مثبت دارای خواص اکسید کننده به درجات مختلف هستند. از این میان، قوی ترین عوامل اکسید کننده یون های با حالت اکسیداسیون بالا هستند، به عنوان مثال، Sn 4+، Fe 3+، Cu 2+. یون های فلزات نجیب، حتی در حالت های اکسیداسیون کم، عوامل اکسید کننده قوی هستند.
یون های پیچیده و مولکول های حاوی اتم های فلزی در بالاترین حالت اکسیداسیون	عوامل اکسید کننده معمولی موادی هستند که دارای اتم های فلزی در بالاترین حالت اکسیداسیون هستند. به عنوان مثال، KMnO4، K2Cr2O7، K2CrO4، HAuCl4.
یون های پیچیده و مولکول های حاوی اتم های غیر فلزی در حالت اکسیداسیون مثبت	اینها عمدتاً اسیدهای حاوی اکسیژن و همچنین اکسیدها و نمکهای مربوط به آنها هستند. به عنوان مثال، SO 3، H 2 SO 4، HClO، HClO 3، NaOBr و دیگران. در یک ردیف H 2SO4 →H 2SeO4 →H 6TeO6فعالیت اکسید کننده از سولفوریک به اسید تلوریک افزایش می یابد. در یک ردیف HClO -HClO 2 -HClO 3 -HClO4 HBrO - HBrO 3 - HIO - HIO 3 - HIO 4، H5IO 6 فعالیت اکسیداتیو از راست به چپ افزایش می یابد و خواص اسیدی از چپ به راست افزایش می یابد.
مهمترین عوامل کاهنده در فناوری و آزمایشگاه	اکسیژن، اوزون، پرمنگنات پتاسیم، اسیدهای کروم و دی کرومیک، اسید نیتریک، اسید نیتروژن، اسید سولفوریک (مجموع)، پراکسید هیدروژن، جریان الکتریکی، اسید هیپوکلروس، دی اکسید منگنز، دی اکسید سرب، سفید کننده، محلول های پتاسیم و سدیم هیپوتاسیم. هیپوبرومید، هگزاسیانوفرات پتاسیم (III).

دسته بندی ها ،

الکترونگاتیوی (EO) توانایی اتم ها برای جذب الکترون هنگام پیوند با اتم های دیگر است .

الکترونگاتیوی به فاصله بین هسته و الکترون‌های ظرفیت و میزان نزدیکی لایه ظرفیت به تکمیل بستگی دارد. هرچه شعاع یک اتم کوچکتر و الکترون های ظرفیت بیشتر باشد، EO آن بیشتر است.

فلوئور الکترونگاتیوترین عنصر است. اولاً در لایه ظرفیتی خود 7 الکترون دارد (فقط 1 الکترون از اکتت کم است) و ثانیاً این لایه ظرفیتی (...2s 2 2p 5) نزدیک به هسته قرار دارد.

اتم های فلزات قلیایی و قلیایی خاکی کمترین الکترونگاتیو را دارند. آنها شعاع های بزرگی دارند و لایه های الکترونی بیرونی آنها هنوز کامل نشده است. برای آنها بسیار ساده تر است که الکترون های ظرفیت خود را به اتم دیگری بسپارند (در این صورت پوسته بیرونی کامل می شود) تا "به دست آوردن" الکترون.

الکترونگاتیوی را می توان به صورت کمی بیان کرد و عناصر را به ترتیب افزایش رتبه بندی کرد. مقیاس الکترونگاتیوی پیشنهاد شده توسط شیمیدان آمریکایی L. Pauling اغلب مورد استفاده قرار می گیرد.

تفاوت الکترونگاتیوی عناصر در یک ترکیب ( ΔX) به شما این امکان را می دهد که نوع پیوند شیمیایی را قضاوت کنید. اگر ارزش ΔX= 0 - اتصال کووالانسی غیرقطبی.

هنگامی که اختلاف الکترونگاتیوی تا 2.0 باشد، پیوند نامیده می شود قطبی کووالانسیبه عنوان مثال: پیوند H-F در یک مولکول هیدروژن فلوراید HF: Δ X = (3.98 - 2.20) = 1.78

پیوندهایی با اختلاف الکترونگاتیوی بیشتر از 2.0 در نظر گرفته می شوند یونی. به عنوان مثال: پیوند Na-Cl در ترکیب NaCl: Δ X = (3.16 - 0.93) = 2.23.

حالت اکسیداسیون

حالت اکسیداسیون (CO) بار مشروط یک اتم در یک مولکول است که با این فرض محاسبه می شود که مولکول از یون تشکیل شده و عموماً از نظر الکتریکی خنثی است.

هنگامی که یک پیوند یونی تشکیل می شود، یک الکترون از یک اتم الکترونگاتیو کمتر به یک اتم الکترونگاتیو تر منتقل می شود، اتم ها خنثی الکتریکی خود را از دست می دهند و به یون تبدیل می شوند. هزینه های عدد صحیح بوجود می آیند. هنگامی که یک پیوند قطبی کووالانسی تشکیل می شود، الکترون به طور کامل منتقل نمی شود، بلکه به طور جزئی منتقل می شود، بنابراین بارهای جزئی ایجاد می شود (HCl در شکل زیر). بیایید تصور کنیم که الکترون به طور کامل از اتم هیدروژن به کلر منتقل شده است و یک بار مثبت کامل +1 روی هیدروژن و -1 روی کلر ظاهر شده است. چنین بارهای معمولی حالت اکسیداسیون نامیده می شود.

این شکل حالت های اکسیداسیون مشخصه 20 عنصر اول را نشان می دهد.
توجه داشته باشید. بالاترین CO معمولا برابر با عدد گروه در جدول تناوبی است. فلزات زیر گروه های اصلی دارای یک CO مشخصه هستند، در حالی که غیر فلزات، به عنوان یک قاعده، دارای پراکندگی CO هستند. بنابراین، غیر فلزات تعداد زیادی ترکیب را تشکیل می دهند و در مقایسه با فلزات دارای خواص "متنوع" بیشتری هستند.

نمونه هایی از تعیین حالت اکسیداسیون

اجازه دهید حالت های اکسیداسیون کلر را در ترکیبات تعیین کنیم:

قوانینی که در نظر گرفته‌ایم همیشه به ما اجازه نمی‌دهند که CO تمام عناصر را محاسبه کنیم، مانند یک مولکول آمینوپروپان معین.

در اینجا استفاده از تکنیک زیر راحت است:

1) ما فرمول ساختاری مولکول را نشان می دهیم، خط تیره یک پیوند، یک جفت الکترون است.

2) خط تیره را به یک فلش تبدیل می کنیم که به سمت اتم EO بیشتر است. این فلش نماد انتقال الکترون به اتم است. اگر دو اتم یکسان به هم متصل شوند، خط را همانطور که هست رها می کنیم - هیچ انتقال الکترون وجود ندارد.

3) شمارش می کنیم که چند الکترون "آمد" و "چپ" شد.

به عنوان مثال، بیایید بار اولین اتم کربن را محاسبه کنیم. سه فلش به سمت اتم هدایت می شود، یعنی 3 الکترون وارد شده، بار -3.

اتم کربن دوم: هیدروژن یک الکترون به آن داد و نیتروژن یک الکترون گرفت. شارژ تغییر نکرده، صفر است. و غیره.

ظرفیت

ظرفیت(از لاتین valēns "دارای قدرت") - توانایی اتم ها برای تشکیل تعداد معینی پیوند شیمیایی با اتم های عناصر دیگر.

اصلاً ظرفیت یعنی توانایی اتم ها برای تشکیل تعداد معینی پیوند کووالانسی. اگر یک اتم داشته باشد nالکترون های جفت نشده و مترجفت الکترون تنها، سپس این اتم می تواند تشکیل شود n+mپیوندهای کووالانسی با اتم های دیگر، به عنوان مثال. ظرفیت آن برابر خواهد بود n+m. هنگام تخمین حداکثر ظرفیت، باید از پیکربندی الکترونیکی حالت "هیجان زده" استفاده کرد. به عنوان مثال، حداکثر ظرفیت یک اتم بریلیم، بور و نیتروژن 4 است (به عنوان مثال، در Be(OH) 4 2-، BF 4 - و NH 4 +)، فسفر - 5 (PCl 5)، گوگرد - 6 ( H 2 SO 4 )، کلر - 7 (Cl 2 O 7).

در برخی موارد، ظرفیت ممکن است از نظر عددی با حالت اکسیداسیون منطبق باشد، اما به هیچ وجه با یکدیگر یکسان نیستند. به عنوان مثال، در مولکول های N2 و CO یک پیوند سه گانه تحقق می یابد (یعنی ظرفیت هر اتم 3 است)، اما حالت اکسیداسیون نیتروژن 0، کربن +2، اکسیژن -2 است.

در اسید نیتریک، حالت اکسیداسیون نیتروژن +5 است، در حالی که نیتروژن نمی تواند ظرفیتی بالاتر از 4 داشته باشد، زیرا تنها 4 اوربیتال در سطح خارجی دارد (و پیوند را می توان به عنوان اوربیتال های همپوشانی در نظر گرفت). و به طور کلی هر عنصر دوره دوم به همین دلیل نمی تواند ظرفیتی بیشتر از 4 داشته باشد.

چند سوال "مشکل" دیگر که اغلب در آنها اشتباه می شود.

اتم‌های عناصر شیمیایی مختلف می‌توانند تعداد متفاوتی از اتم‌های دیگر را به هم متصل کنند، یعنی ظرفیت‌های متفاوتی از خود نشان دهند.

ظرفیت، توانایی اتم ها برای ترکیب با اتم های دیگر را مشخص می کند. حال با مطالعه ساختار اتم و انواع پیوندهای شیمیایی، می‌توان این مفهوم را با جزئیات بیشتری بررسی کرد.

ظرفیت تعداد پیوندهای شیمیایی منفردی است که یک اتم با سایر اتم های یک مولکول تشکیل می دهد. تعداد پیوندهای شیمیایی به تعداد جفت الکترون های مشترک اشاره دارد. از آنجایی که جفت های مشترک الکترون ها فقط در مورد پیوند کووالانسی تشکیل می شوند، ظرفیت اتم ها را فقط در ترکیبات کووالانسی می توان تعیین کرد.

در فرمول ساختاری یک مولکول، پیوندهای شیمیایی با خط تیره نشان داده می شوند. تعداد خطوطی که از نماد یک عنصر داده شده، ظرفیت آن است. ظرفیت همیشه یک عدد صحیح مثبت از I تا VIII دارد.

همانطور که به یاد دارید، بیشترین ظرفیت یک عنصر شیمیایی در یک اکسید معمولا برابر با تعداد گروهی است که در آن یافت می شود. برای تعیین ظرفیت یک نافلز در یک ترکیب هیدروژنی، باید عدد گروه را از 8 کم کنید.

در ساده ترین موارد، ظرفیت برابر با تعداد الکترون های جفت نشده در اتم است، بنابراین، برای مثال، اکسیژن (شامل دو الکترون جفت نشده) دارای ظرفیت II و هیدروژن (حاوی یک الکترون جفت نشده) دارای ظرفیت I است.

بلورهای یونی و فلزی دارای جفت الکترون مشترک نیستند، بنابراین برای این مواد مفهوم ظرفیت به عنوان تعداد پیوندهای شیمیایی معنی ندارد. برای همه رده های ترکیبات، صرف نظر از نوع پیوندهای شیمیایی، مفهوم جهانی تری قابل استفاده است که به آن حالت اکسیداسیون می گویند.

حالت اکسیداسیون

این بار معمولی روی یک اتم در یک مولکول یا کریستال است. با فرض اینکه همه پیوندهای قطبی کووالانسی ماهیت یونی دارند محاسبه می شود.

بر خلاف ظرفیت، عدد اکسیداسیون می تواند مثبت، منفی یا صفر باشد. در ساده ترین ترکیبات یونی، حالت های اکسیداسیون با بارهای یون ها منطبق است.

به عنوان مثال، در کلرید پتاسیم KCl (K + Cl - ) پتاسیم حالت اکسیداسیون 1+ و کلر 1- دارد؛ در اکسید کلسیم CaO (Ca +2 O -2)، کلسیم حالت اکسیداسیون 2+ را نشان می دهد و اکسیژن -2. این قانون در مورد تمام اکسیدهای پایه صدق می کند: در آنها، حالت اکسیداسیون فلز برابر با بار یون فلز است (سدیم +1، باریم +2، آلومینیوم +3) و حالت اکسیداسیون اکسیژن 2- است. حالت اکسیداسیون با یک عدد عربی نشان داده می شود که در بالای نماد عنصر قرار می گیرد، شبیه به ظرفیت:

Cu +2 Cl 2 -1 ; Fe +2 S -2

حالت اکسیداسیون یک عنصر در یک ماده ساده برابر با صفر است:

Na 0 , O 2 0 , S 8 0 , Cu 0

بیایید در نظر بگیریم که چگونه حالت های اکسیداسیون در ترکیبات کووالانسی تعیین می شود.

هیدروژن کلرید HCl ماده ای با پیوند کووالانسی قطبی است. جفت الکترون مشترک در مولکول HCl به اتم کلر منتقل می شود که الکترونگاتیوی بالاتری دارد. ما به طور ذهنی پیوند H-Cl را به یک پیوند یونی تبدیل می کنیم (این در واقع در یک محلول آبی اتفاق می افتد)، جفت الکترون را به طور کامل به اتم کلر منتقل می کنیم. بار 1- و هیدروژن +1 به دست می آورد. بنابراین، کلر در این ماده دارای حالت اکسیداسیون 1- و هیدروژن +1 است:

بارهای واقعی و حالت های اکسیداسیون اتم ها در یک مولکول کلرید هیدروژن

عدد اکسایش و ظرفیت مفاهیم مرتبط هستند. در بسیاری از ترکیبات کووالانسی، قدر مطلق حالت اکسیداسیون عناصر برابر با ظرفیت آنها است. با این حال، موارد متعددی وجود دارد که ظرفیت با حالت اکسیداسیون متفاوت است. به عنوان مثال، برای مواد ساده که حالت اکسیداسیون اتم ها صفر است و ظرفیت برابر با تعداد جفت الکترون های مشترک است، این حالت معمولی است:

O=O.

ظرفیت اکسیژن II و حالت اکسیداسیون 0 است.

در یک مولکول پراکسید هیدروژن

H-O-O-H

اکسیژن دو ظرفیتی و هیدروژن تک ظرفیتی است. در همان زمان، حالت های اکسیداسیون هر دو عنصر برابر با 1 در مقدار مطلق است:

H 2 + 1 O 2 -1

یک عنصر در ترکیبات مختلف بسته به الکترونگاتیوی اتم های مرتبط با آن، می تواند حالت اکسیداسیون مثبت و منفی داشته باشد. به عنوان مثال، دو ترکیب کربن - متان CH 4 و کربن فلوراید (IV) CF 4 را در نظر بگیرید.

کربن الکترونگاتیوتر از هیدروژن است، بنابراین در متان چگالی الکترونی پیوندهای C-H از هیدروژن به کربن منتقل می شود و هر یک از چهار اتم هیدروژن حالت اکسیداسیون 1+ دارند و اتم کربن 4- است. در مقابل، در مولکول CF4، الکترون های همه پیوندها از اتم کربن به اتم های فلوئور منتقل می شوند که حالت اکسیداسیون آن 1- است، بنابراین کربن در حالت اکسیداسیون +4 است. به یاد داشته باشید که عدد اکسیداسیون الکترونگاتیوترین اتم در یک ترکیب همیشه منفی است.

مدل‌های مولکول‌های متان CH 4 و کربن (IV) فلوراید CF 4. قطبیت پیوندها با فلش نشان داده می شود

هر مولکولی از نظر الکتریکی خنثی است، بنابراین مجموع حالت های اکسیداسیون همه اتم ها صفر است. با استفاده از این قانون، از روی حالت اکسیداسیون شناخته شده یک عنصر در یک ترکیب، می توانید وضعیت اکسیداسیون عنصر دیگر را بدون توسل به استدلال در مورد جابجایی الکترون ها تعیین کنید.

به عنوان مثال، اکسید کلر (I) Cl 2 O را در نظر می گیریم. ما از خنثی الکتریکی ذره شروع می کنیم. اتم اکسیژن در اکسیدها دارای حالت اکسیداسیون 2- است، به این معنی که هر دو اتم کلر دارای بار کلی +2 هستند. نتیجه این است که هر یک از آنها دارای بار +1 هستند، یعنی کلر دارای حالت اکسیداسیون +1 است:

Cl 2 + 1 O -2

برای قرار دادن صحیح علائم حالت اکسیداسیون اتم های مختلف، کافی است الکترونگاتیوی آنها را با هم مقایسه کنیم. اتمی با الکترونگاتیوی بالاتر حالت اکسیداسیون منفی و اتمی با الکترونگاتیوی پایین تر حالت اکسیداسیون مثبت خواهد داشت. طبق قوانین تعیین شده، نماد الکترونگاتیوترین عنصر در آخرین مکان در فرمول ترکیبی نوشته شده است:

I +1 Cl -1 , O +2 F 2 -1 , P +5 Cl 5 -1

بارهای واقعی و حالت های اکسیداسیون اتم ها در یک مولکول آب

هنگام تعیین حالت اکسیداسیون عناصر در ترکیبات، قوانین زیر رعایت می شود.

حالت اکسیداسیون یک عنصر در یک ماده ساده صفر است.

فلوئور الکترونگاتیوترین عنصر شیمیایی است، بنابراین حالت اکسیداسیون فلوئور در همه مواد به جز F2 -1 است.

اکسیژن الکترونگاتیوترین عنصر بعد از فلوئور است، بنابراین حالت اکسیداسیون اکسیژن در همه ترکیبات به جز فلوریدها منفی است: در بیشتر موارد 2- و در پراکسید هیدروژن H 2 O 2 -1 است.

حالت اکسیداسیون هیدروژن در ترکیبات با غیر فلزات +1، در ترکیبات با فلزات (هیدریدها) -1 است. صفر در ماده ساده H2.

حالت اکسیداسیون فلزات در ترکیبات همیشه مثبت است. حالت اکسیداسیون فلزات زیر گروه های اصلی معمولاً برابر با عدد گروه است. فلزات زیر گروه های ثانویه اغلب دارای چندین حالت اکسیداسیون هستند.

حداکثر حالت اکسیداسیون مثبت ممکن یک عنصر شیمیایی برابر با عدد گروه است (استثنا - Cu +2).

حداقل حالت اکسیداسیون فلزات صفر و غیر فلزات گروه عدد منهای هشت است.

مجموع حالت های اکسیداسیون تمام اتم های یک مولکول صفر است.

جهت یابی

• حل مسائل ترکیبی بر اساس ویژگی های کمی یک ماده
• حل مسئله. قانون ثبات ترکیب مواد. محاسبات با استفاده از مفاهیم "جرم مولی" و "مقدار شیمیایی" یک ماده
• حل مسائل محاسباتی بر اساس ویژگی های کمی ماده و قوانین استوکیومتری
• حل مسائل محاسباتی بر اساس قوانین حالت گازی ماده
• پیکربندی الکترونیکی اتم ها ساختار لایه های الکترونی اتم های سه دوره اول

فیلم آموزشی 2: حالت اکسیداسیون عناصر شیمیایی

فیلم آموزشی 3: ظرفیت. تعیین ظرفیت

سخنرانی: الکترونگاتیوی. حالت اکسیداسیون و ظرفیت عناصر شیمیایی

الکترونگاتیوی

الکترونگاتیویتوانایی اتم ها برای جذب الکترون از اتم های دیگر برای پیوستن به آنها است.

قضاوت در مورد الکترونگاتیوی یک عنصر شیمیایی خاص با استفاده از جدول آسان است. به یاد داشته باشید، در یکی از درس های ما گفته شد که هنگام حرکت از چپ به راست در دوره های جدول تناوبی و هنگام حرکت از پایین به بالا در گروه ها افزایش می یابد.

به عنوان مثال، این وظیفه تعیین شد که کدام عنصر از سری پیشنهادی الکترونگاتیوترین است: C (کربن)، N (نیتروژن)، O (اکسیژن)، S (گوگرد)؟ به جدول نگاه می کنیم و متوجه می شویم که این O است، زیرا او در سمت راست و بالاتر از دیگران است.

چه عواملی بر الکترونگاتیوی تأثیر می گذارد؟ این:

• شعاع یک اتم، هر چه کوچکتر باشد، الکترونگاتیوی آن بیشتر است.
• لایه ظرفیت پر از الکترون است؛ هرچه تعداد الکترون ها بیشتر باشد، الکترونگاتیوی بالاتری دارد.

از بین تمام عناصر شیمیایی، فلوئور الکترونگاتیوترین است زیرا دارای شعاع اتمی کوچک و 7 الکترون در لایه ظرفیت خود است.

عناصر با الکترونگاتیو کم شامل فلزات قلیایی و قلیایی خاکی هستند. آنها شعاع های بزرگ و الکترون های بسیار کمی در لایه بیرونی دارند.

مقادیر الکترونگاتیوی یک اتم نمی تواند ثابت باشد، زیرا این به عوامل زیادی بستگی دارد، از جمله موارد ذکر شده در بالا، و همچنین درجه اکسیداسیون، که می تواند برای یک عنصر متفاوت باشد. بنابراین، مرسوم است که در مورد نسبیت مقادیر الکترونگاتیوی صحبت کنیم. می توانید از مقیاس های زیر استفاده کنید:

هنگام نوشتن فرمول برای ترکیبات دوتایی متشکل از دو عنصر، به مقادیر الکترونگاتیوی نیاز خواهید داشت. به عنوان مثال، فرمول اکسید مس Cu 2 O - اولین عنصری که الکترونگاتیوی آن کمتر است باید یادداشت شود.

در لحظه تشکیل پیوند شیمیایی، اگر اختلاف الکترونگاتیوی بین عناصر بیشتر از 2.0 باشد، پیوند قطبی کووالانسی و اگر کمتر باشد، پیوند یونی تشکیل می‌شود.

حالت اکسیداسیون

حالت اکسیداسیون (CO)- این بار شرطی یا واقعی یک اتم در یک ترکیب است: مشروط - اگر پیوند کووالانسی قطبی باشد، واقعی - اگر پیوند یونی باشد.

یک اتم با رها کردن الکترون بار مثبت و با پذیرش الکترون بار منفی می گیرد.

حالت های اکسیداسیون بالای نمادها با علامت نوشته می شود «+»/«-» . COهای میانی نیز وجود دارد. حداکثر CO یک عنصر مثبت و برابر با عدد گروه است و حداقل منفی برای فلزات صفر است، برای غیر فلزات = (گروه شماره - 8). عناصر با حداکثر CO فقط الکترون ها را می پذیرند و عناصر با حداقل CO فقط الکترون ها را رها می کنند. عناصری که دارای CO میانی هستند می توانند هم الکترون بدهند و هم الکترون دریافت کنند.

بیایید به قوانینی که باید برای تعیین CO دنبال شود نگاه کنیم:

CO تمام مواد ساده صفر است.

مجموع تمام اتم های CO در یک مولکول نیز برابر با صفر است، زیرا هر مولکولی از نظر الکتریکی خنثی است.

در ترکیبات با پیوند غیر قطبی کووالانسی، CO برابر با صفر (O 2 0) و با پیوند یونی برابر با بار یون ها است (Na + Cl - سدیم CO +1، کلر -1). عناصر CO ترکیبات با پیوند قطبی کووالانسی با پیوند یونی در نظر گرفته می شوند (H:Cl = H + Cl - که به معنای H +1 Cl-1 است).

عناصر موجود در یک ترکیب که دارای بیشترین الکترونگاتیوی هستند، حالت اکسیداسیون منفی دارند، در حالی که آنهایی که کمترین الکترونگاتیوی را دارند، حالت اکسیداسیون مثبت دارند. بر این اساس، می توان نتیجه گرفت که فلزات فقط حالت اکسیداسیون "+" دارند.

حالت های اکسیداسیون ثابت:

فلزات قلیایی +1.

تمام فلزات گروه دوم +2. استثنا: جیوه +1، +2.

آلومینیوم +3.

• هیدروژن +1. استثنا: هیدریدهای فلزات فعال NaH، CaH 2 و غیره، که در آن حالت اکسیداسیون هیدروژن -1 است.

  اکسیژن – 2. استثنا: F 2 -1 O + 2 و پراکسیدهای حاوی گروه –O–O– که در آن حالت اکسیداسیون اکسیژن -1 است.

هنگامی که یک پیوند یونی تشکیل می شود، انتقال خاصی از الکترون اتفاق می افتد، از یک اتم الکترونگاتیوی کمتر به اتمی با الکترونگاتیوی بیشتر. همچنین در این فرآیند اتم ها همیشه خنثی الکتریکی خود را از دست می دهند و متعاقباً به یون تبدیل می شوند. بارهای عدد صحیح نیز تشکیل می شود. هنگامی که یک پیوند کووالانسی قطبی تشکیل می شود، الکترون فقط تا حدی منتقل می شود، بنابراین بارهای جزئی ایجاد می شود.

ظرفیت

ظرفیتتوانایی اتم ها برای تشکیل n - تعداد پیوندهای شیمیایی با اتم های عناصر دیگر است.

ظرفیت همچنین توانایی یک اتم برای نگه داشتن اتم های دیگر در نزدیکی خود است. همانطور که از درس شیمی مدرسه خود می دانید، اتم های مختلف توسط الکترون های سطح انرژی بیرونی به یکدیگر پیوند می خورند. یک الکترون جفت نشده جفتی را از اتم دیگر جستجو می کند. به این الکترون های سطح بیرونی، الکترون های ظرفیتی می گویند. این بدان معنی است که ظرفیت را می توان به عنوان تعداد جفت الکترون هایی که اتم ها را به یکدیگر متصل می کنند نیز تعریف کرد. به فرمول ساختاری آب نگاه کنید: H – O – H. هر خط تیره یک جفت الکترون است، به این معنی که ظرفیت را نشان می دهد، i.e. اکسیژن در اینجا دو خط دارد، به این معنی که دو ظرفیتی است، مولکول های هیدروژن هر کدام از یک خط می آیند، به این معنی که هیدروژن تک ظرفیتی است. هنگام نوشتن، ظرفیت با اعداد رومی نشان داده می شود: O (II)، H (I). همچنین می توان در بالای عنصر نشان داد.

ظرفیت می تواند ثابت یا متغیر باشد. به عنوان مثال، در قلیایی های فلزی ثابت است و برابر با I است. اما کلر در ترکیبات مختلف ظرفیت های I، III، V، VII را نشان می دهد.

چگونه ظرفیت یک عنصر را تعیین کنیم؟

بیایید دوباره به جدول تناوبی نگاه کنیم. فلزات زیر گروه های اصلی دارای ظرفیت ثابت هستند، بنابراین فلزات گروه اول دارای ظرفیت I، دوم - II هستند. و فلزات زیر گروه های جانبی ظرفیت متغیری دارند. برای غیر فلزات نیز متغیر است. بیشترین ظرفیت یک اتم برابر با عدد گروه است، کمترین آن برابر است با = عدد گروه - 8. یک فرمول آشنا. آیا این به این معنی نیست که ظرفیت با حالت اکسیداسیون منطبق است؟ به یاد داشته باشید، ظرفیت ممکن است با حالت اکسیداسیون منطبق باشد، اما این شاخص ها با یکدیگر یکسان نیستند. ظرفیت نمی تواند علامت =/- داشته باشد و همچنین نمی تواند صفر باشد.

روش دوم تعیین ظرفیت با استفاده از فرمول شیمیایی است، در صورتی که ظرفیت ثابت یکی از عناصر مشخص باشد. به عنوان مثال، فرمول اکسید مس را در نظر بگیرید: CuO. ظرفیت اکسیژن II. می بینیم که برای یک اتم اکسیژن در این فرمول یک اتم مس وجود دارد، یعنی ظرفیت مس برابر با II است. حالا بیایید فرمول پیچیده‌تری را در نظر بگیریم: Fe 2 O 3. ظرفیت اتم اکسیژن II است. در اینجا سه ​​اتم وجود دارد، 2*3 =6 را ضرب کنید. ما دریافتیم که در هر دو اتم آهن 6 ظرفیت وجود دارد. بیایید ظرفیت یک اتم آهن را دریابیم: 6:2=3. این بدان معنی است که ظرفیت آهن III است.

علاوه بر این، هنگامی که لازم است "حداکثر ظرفیت" را تخمین بزنیم، همیشه باید از پیکربندی الکترونیکی که در حالت "هیجان زده" وجود دارد شروع شود.

ظرفیت و حالت اکسیداسیون مفاهیمی هستند که اغلب در شیمی معدنی استفاده می شوند. در بسیاری از ترکیبات شیمیایی، مقدار ظرفیت و حالت اکسیداسیون یک عنصر یکسان است، به همین دلیل است که دانش‌آموزان و دانش‌آموزان اغلب گیج می‌شوند. این مفاهیم در برخی موارد مشترک هستند، اما تفاوت‌ها بیشتر است. برای درک تفاوت این دو مفهوم، ارزش آن را دارد که در مورد آنها بیشتر بدانید.

اطلاعات وضعیت اکسیداسیون

حالت اکسیداسیون یک کمیت کمکی است که به یک اتم از یک عنصر شیمیایی یا گروهی از اتم‌ها اختصاص می‌یابد، که نشان می‌دهد چگونه جفت‌های الکترون مشترک بین عناصر برهم کنش توزیع می‌شوند.

این یک کمیت کمکی است که هیچ معنای فیزیکی ندارد. ماهیت آن را می توان به راحتی با کمک مثال توضیح داد:

مولکول نمک خوراکی NaClاز دو اتم - یک اتم کلر و یک اتم سدیم تشکیل شده است. پیوند بین این اتم ها یونی است. سدیم دارای 1 الکترون در سطح ظرفیت است، به این معنی که یک جفت الکترون با اتم کلر مشترک است. از بین این دو عنصر، کلر الکترونگاتیوتر است (خاصیت اختلاط جفت الکترون ها را به سمت خود دارد)، سپس تنها جفت الکترون رایج به سمت آن جابه جا می شود. در یک ترکیب، عنصری با الکترونگاتیوی بالاتر دارای حالت اکسیداسیون منفی است، در حالی که عنصر الکترونگاتیوی کمتر دارای حالت اکسیداسیون مثبت است و مقدار آن برابر با تعداد جفت الکترون های مشترک است. برای مولکول NaCl مورد نظر، حالت های اکسیداسیون سدیم و کلر به شکل زیر خواهد بود:

کلر با یک جفت الکترون جابجا شده به آن، اکنون آنیون در نظر گرفته می شود، یعنی اتمی که یک الکترون اضافی اضافه کرده است و سدیم را کاتیون می دانند، یعنی اتمی که یک الکترون اهدا کرده است. اما هنگام نوشتن حالت اکسیداسیون، علامت اول می آید و مقدار عددی دوم می شود و هنگام نوشتن بار یونی، برعکس است.

حالت اکسیداسیون را می توان به عنوان تعداد الکترون هایی تعریف کرد که یک یون مثبت برای رسیدن به یک اتم خنثی الکتریکی فاقد آن است، یا باید از یک یون منفی گرفته شود تا به یک اتم اکسید شود. در این مثال واضح است که یون سدیم مثبت به دلیل جابجایی جفت الکترون فاقد الکترون است و یون کلر یک الکترون اضافی دارد.

حالت اکسیداسیون یک ماده ساده (خالص) صرف نظر از خواص فیزیکی و شیمیایی آن صفر است. به عنوان مثال، مولکول O2 از دو اتم اکسیژن تشکیل شده است. آنها مقادیر الکترونگاتیوی یکسانی دارند، بنابراین الکترون های مشترک به هیچ یک از آنها تغییر نمی کنند. این بدان معنی است که جفت الکترون بین اتم ها قرار دارد، بنابراین حالت اکسیداسیون صفر خواهد بود.

برای برخی از مولکول‌ها، تعیین اینکه الکترون‌ها کجا می‌روند می‌تواند دشوار باشد، به خصوص اگر سه یا بیشتر عنصر وجود داشته باشد. برای محاسبه حالت های اکسیداسیون در چنین مولکولی، باید از چند قانون ساده استفاده کنید:

1. اتم هیدروژن تقریباً همیشه حالت اکسیداسیون ثابت +1 دارد.
2. برای اکسیژن این رقم 2- است. تنها استثناء این قانون، اکسیدهای فلوئور است

ОF 2 و О 2 F 2،

از آنجایی که فلوئور عنصری است که بیشترین الکترونگاتیوی را دارد، همیشه الکترون های برهم کنش را به سمت خود جابجا می کند. طبق قوانین بین المللی ابتدا عنصری با مقدار الکترونگاتیوی کمتر نوشته می شود، بنابراین در این اکسیدها اکسیژن حرف اول را می زند.

• اگر تمام حالت های اکسیداسیون یک مولکول را جمع کنید، صفر می شود.
• اتم های فلزی با حالت اکسیداسیون مثبت مشخص می شوند.

هنگام محاسبه حالت های اکسیداسیون، باید به یاد داشته باشید که بالاترین حالت اکسیداسیون یک عنصر برابر با تعداد گروه آن است و حداقل آن عدد گروه منهای 8 است. برای کلر، حداکثر مقدار ممکن حالت اکسیداسیون 7+ است. ، زیرا در گروه 7 قرار دارد و حداقل آن 7-8 = -1 است.

اطلاعات کلی در مورد ظرفیت

ظرفیت تعداد پیوندهای کووالانسی است که یک عنصر می تواند در ترکیبات مختلف ایجاد کند.

برخلاف حالت اکسیداسیون، مفهوم ظرفیت معنای فیزیکی واقعی دارد.

بالاترین شاخص ظرفیت برابر با عدد گروه در جدول تناوبی است. گوگرد S در گروه 6 قرار دارد، یعنی حداکثر ظرفیت آن 6 است. اما می تواند 2 (H 2 S) یا 4 (SO 2) نیز باشد.

تقریباً همه عناصر با ظرفیت متغیر مشخص می شوند. با این حال، اتم هایی وجود دارند که این مقدار برای آنها ثابت است. اینها شامل فلزات قلیایی، نقره، هیدروژن (ظرفیت آنها همیشه 1 است)، روی (ظرفیت همیشه 2 است)، لانتانیم (ظرفیت آنها همیشه 3 است).

ظرفیت و حالت اکسیداسیون چه مشترکاتی دارند؟

1. برای نشان دادن هر دو کمیت، از اعداد صحیح مثبت استفاده می شود که بالای نام لاتین عنصر نوشته شده است.
2. بیشترین ظرفیت و همچنین بالاترین حالت اکسیداسیون با تعداد گروه عنصر منطبق است.
3. حالت اکسیداسیون هر عنصر در یک ترکیب پیچیده با مقدار عددی یکی از شاخص های ظرفیت منطبق است. به عنوان مثال، کلر که در گروه 7 قرار دارد، می تواند ظرفیت 1، 3، 4، 5، 6 یا 7 داشته باشد، به این معنی که حالت های اکسیداسیون احتمالی 1±، +3، +4، +5، +6 است. ، +7.

تفاوت های اصلی بین این مفاهیم

1. مفهوم "ظرفیت" معنای فیزیکی دارد، اما عدد اکسیداسیون یک اصطلاح کمکی است که معنای فیزیکی واقعی ندارد.
2. حالت اکسیداسیون می تواند صفر، بزرگتر یا کمتر از صفر باشد. ظرفیت به شدت بزرگتر از صفر است.
3. ظرفیت نشان دهنده تعداد پیوندهای کووالانسی و حالت اکسیداسیون نشان دهنده توزیع الکترون ها در ترکیب است.