ЕГЭ 3 химия. Теория ЕГЭ 3 химия

А теперь титры,
как после просмотра долгого, интересного, захватывающего блокбастера в кинотеатре

В качестве титров у нас будут самые важные тезисы конспекта по теме:
Электроотрицательность. Степень окисления и валентность атомов химических элементов.

Связь электроотрицательности со степенью окисления.
При изучении предыдущих тем мы уже познакомились с таким понятием как электроотрицательность (ЭО), а точнее, относительная атомная электроотрицательность химических элементов - количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.
Вспомним, что существует шкала относительных атомных электроотрицательностей химических элементов, причём разных авторов. Впервые такую шкалу разработал и представил в далёком 1932 году Лайнус Полинг.
Но самая новая шкала, с уточнёнными значениями электроотрицательности атомов, разработана и представлена профессором Огановым в 2021 году. Вот значения электроотрицательностей атомов по шкале Оганова для s- и p-элементов Периодической системы. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Ступенчатая диагональ от бора (B) к астату (At) делит элементы на металлы (левый нижний угол под ступенчатой диагональю) и неметаллы (правый верхний угол над ступенчатой диагональю).
Приведённые в шкале относительных атомных электроотрицательностей химических элементов цифровые значения запоминать не нужно. Просто помним, что самая высокая ЭО у элементов правого верхнего угла Периодической системы: F, O, N, Cl, а самая низкая ЭО - у активных металлов, s-элементов IА группы: Na, K, Rb, Cs.
Как видно из шкалы, электроотрицательность у неметаллов больше, чем у металлов. Поэтому в бинарных соединениях металл-неметалл у металла всегда положительная степень окисления, а у неметалла - отрицательная,
например: хлорид натрия.
Таким образом, электроотрицательность (ЭО) и степень окисления (СО) связаны между собой следующим образом: атомы более электроотрицательных элементов имеют отрицательную степень окисления, а атомы менее электроотрицательных имеют положительную степень окисления.
Необходимо помнить, что понятие степени окисления условно и не показывает реальные заряды атомов в сложных соединениях. Оно используется для описания, понимания упрощённой модели строения формульных единиц сложных веществ, а также помогает подбирать коэффициенты в уравнениях химический реакций.
Степень окисления атомов химических элементов — это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи ионные.
Степень окисления численно равна числу электронов, условно полностью смещённых от атома или к атому.
Если атом отдал электроны, его степени окисления приписывается знак плюс «+», если атом принял электроны приписывается знак минус «―». Нулевая степень окисления возможна, если электроны никуда не смещались.
Исходя из своего определения , степень окисления может иметь три значения:
- нулевое, например, в молекулах простых веществ: в молекуле кислорода
- положительное «+»;
- отрицательное «―».
Степень окисления указывают сверху над символом элемента в формате +n или -n, где n целое число, в том числе ноль 0. Обозначается арабской цифрой со знаком плюс «+» или минус «―». Причём знак «+» или «―» ставится перед цифрой.
В сложном веществе алгебраическая сумма степеней окисления атомов равна нулю 0.
В печатных текстах набранных в наиболее популярных текстовых редакторах (компьютерных программах, предназначенных для создания, редактирования и форматирования текстовых документов), можно увидеть степень окисления напечатанную сверху, но чуть правее символа элемента. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Степени окисления: высшие (или максимальные), низшие (или минимальные), промежуточные, постоянные
Высшая (max) степень окисления атома элемента равна номеру группы со знаком «плюс»: Na⁺¹, Mg⁺², Al⁺³, Si⁺⁴, P⁺⁵, S⁺⁶, Cl⁺⁷
Исключение кислород (О), у него высшая степень окисления +2, не равна номеру группы, например, фторид кислорода O⁺²F₂¯¹, а также медь в первой группе, но высшая +2, например, в оксиде меди(II) Cu⁺²O¯². И железо в восьмой группе, но высшая степень окисления +6, например, в ферратах: K₂Fe⁺⁶O₄ - феррат калия.
Исключение фтор (F), у него, как самого электроотрицательного элемента, не бывает положительной степени окисления, поэтому у фтора высшая степень окисления равна нулю.
Как видим, по шкале наибольшая степень окисления +8, что соответствует восьмой (VIII) группе Периодической системы. Но степень окисления +8 встречается очень редко, и далеко не у всех атомов элементов восьмой группы.
Например, у железа (Fe) высшая степень окисления +6 в ферратах, соль К₂FeO₄ феррат калия. Степени окисления +8 у железа нет, несмотря на то, что железо - элемент восьмой группы Периодической системы.
Степень окисления +8 могут проявлять:
- ксенон (инертный гз), в оксиде ксенона(VIII) XeO₄
- рутений, в оксиде рутения(VIII) RuO₄
- осмий, в оксиде осмия(VIII) OsO₄
Но наиболее часто в учебном курсе химии и в заданиях экзамена по химии встречаются степени окисления атомов элементов от ―4 до +7. Наименьшая степень окисления ―4, что соответствует правилу определения наименьшей степени окисления: номер группы минус 8. Например, углерод (С) в четвёртой группе (IVA) Периодической системы.
Поэтому, для углерода расчёт низшей степени окисления: 4 ― 8 = ―4
Например, в ковалентном гидриде под названием метан CH₄ у углерода степень окисления ―4.
Степени окисления ―5 не бывает! Потому что в третьей группе (III) Периодической системы уже все металлы, за исключением неметалла бора. А у всех металлов в соединениях с другими элементами степень окисления положительна. Низшая степень окисления у всех металлов ноль (0). У неметалла бора (В) низшая степень окисления ―3. Это просто надо запомнить.
Правила определения степени окисления.
1) В простом веществе степень окисления элемента равна нулю 0:
2) В сложном веществе алгебраическая сумма степеней окисления атомов равна нулю (0).
3) Водород в большинстве сложных соединений имеет степень окисления +1.
У кислорода в большинстве соединений степень окисления ―2:
5) У металлов степень окисления в сложных веществах всегда положительна:
6) Высшая (или максимальная) степень окисления атома элемента равна номеру группы со знаком «плюс», например:
Исключение кислород О, у него высшая степень окисления +2, не равна номеру группы, например, фторид кислорода O⁺²F₂^—1, а также медь в первой группе, но высшая +2.
Исключение - фтор: у него, как самого электроотрицательного элемента, не бывает положительной степени окисления, поэтому у фтора высшая равна нулю (0) «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Исключение железо в восьмой группе, но высшая степень окисления +6, например, в ферратах: K₂Fe⁺⁶O₄ - феррат калия.
7) Низшая (или минимальная) степень окисления у НЕметаллов определяется как номер группы минус 8. (Примечание: для металлов это правило не действует)
8) Низшая степень окисления у металлов равна нулю.
Степень окисления в ионах.
9) Степень окисления в простом ионе численно равна заряду иона.
10) Правило! Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в сложном ионе равна заряду иона.
Cl^— хлорид анион, анион хлороводородной (соляной) кислоты НCl
Br^— бромид анион, анион бромоводородной кислоты НBr
I^— йодид анион, анион йодоводородной кислоты НI
S^2— сульфид анион, анион солей сероводородной кислоты H₂S
HS^— гидросульфид анион; анион кислых солей сероводородной кислоты H₂S
SO₃^2— сульфит анион, анион солей сернистой кислоты H₂SO₃
HSO₃^— гидросульфит анион, анион кислых солей сернистой кислоты H₂SO₃
SO₄^2— сульфат анион, анион серной кислоты H₂SO₄
HSO₄^— гидросульфат анион, анион кислых солей серной кислоты H₂SO₄
NO₃^— нитрат анион, анион азотной кислоты НNO₃
NO₂^— нитрит анион, анион солей азотистой кислоты НNO₂
PO₃^— метафосфат анион, анион солей метафосфорной кислоты НPO₃
PO₄^3— фосфат (ортофосфат) анион, анион солей ортофосфорной кислоты Н₃PO₄
HPO₄^2— гидрофосфат анион, анион кислых солей фосфорной кислоты Н₃PO₄
H₂PO₄^— дигидрофосфат анион, анион кислых солей фосфорной кислоты Н₃PO₄
CO₃^2— карбонат анион, анион солей угольной кислоты H₂CO₃
HCO₃^— гидрокарбонат анион, анион кислых солей угольной кислоты H₂CO₃
CH₃COO^— ацетат анион, анион солей уксусной кислоты CH₃COOH
SiO₃^2—силикат анион, анион солей кремниевой кислоты H₂SiO₃
MnO₄^2– манганат анион, анион марганцовистой кислоты H₂MnO₄
MnO₄^— перманганат анион, анион марганцевой кислоты HMnO₄
Cr₂O₇^2— дихромат анион, анион дихромовой кислоты H₂Cr₂O₇
CrO₄^2— хромат анион, анион хромовой кислоты H₂CrO₄
Анионы кислородсодержащих кислот хлора:
ClO^— гипохлорит анион, анион солей хлорноватистой кислоты HClO
ClO₂^— хлорит анион, анион солей хлористой кислоты HClO₂
ClO₃^— хлорат анион, анион хлорноватой кислоты HClO₃
ClO₄^— перхлорат анион, анион хлорной кислоты HClO₄.
Названия анионов кислородсодержащих кислот брома и йода строятся аналогично приведённым названиям по хлору, например: «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
BrO^— гипобромит анион, анион солей бромноватистой кислоты HBrO
IO₃^— йодат анион, анион йодноватой кислоты HlO₃
Исключения и особые случаи при определении степени окисления
При решении заданий на тему «Степень окисления атомов химических элементов»
необходимо помнить, что кислород (O) и фтор (F) НЕ ПРОЯВЛЯЮТ степени окисления равной номеру группы.
Связано это с их положением в периодической системе химических элементов, в правом верхнем углу, то есть там, где электроотрицательность элементов наибольшая.
Кислород и фтор являются самыми электроотрицательными элементами, а значит сильными окислителями, поэтому отдать все свои семь электронов внешнего уровня фтор не способен. Фтор, как окислитель, может только забрать один электрон до своей устойчивой 8-ми электронной конфигурации инертного газа неона (Ne), и тогда фтор становится со степенью окисления -1, например H⁺¹F¯¹.
А кислород не отдаст свои 6-ть электронов внешнего уровня, он заберёт два электрона до устойчивой конфигурации инертного газа неона Ne, и станет кислород со степенью окисления -2, например Н₂⁺¹О¯².
Интересно , что электроотрицательность фтора больше чем кислорода, поэтому и есть соединение фторид кислорода, в котором у кислорода положительная степень окисления, всё-таки два электрона кислород может отдать, но только фтору О⁺²F₂¯¹ фторид кислорода .
Итак: - кислород (O) в шестой группе (VIA), но степени окисления +6 у кислорода нет, высшая степень окисления у кислорода +2, например во фториде кислорода О⁺²F₂¯¹;
- фтор (F) в седьмой группе (VIIA), но степени окисления +7 у фтора нет, высшая степень окисления у фтора ноль (0).
Также есть ещё два элемента у которых номер группы не совпадает с их высшей степенью окисления, - это: медь (Cu) и железо (Fe). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Медь в первой группе (IБ), но высшая степень окисления +2, например, в оксиде меди(II) Cu⁺²O¯².
Железо в восьмой группе (VIIIБ), но высшая степень окисления +6, например в ферратах: в ферратах K₂Fe⁺⁶O₄ - феррат калия.
Валентность атомов химических элементов. Валентность - это число химических связей, которые может образовать атом элемента в химическом соединении.
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III...
Так, например, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная. Причём две связи в молекуле угарного газа CO образуются по обменному механизму (углерод и кислород обмениваются каждый двумя свободными электронами), а вот третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму: кислород - донор, предоставляет неподелённую электронную пару, а углерод - акцептор, принимает пару электронов от кислорода в свою пустую квантовую ячейку. Таким образом, и кислород и углерод в молекуле угарного газа трёхвалентны.
Уточним, когда пишут название «оксид углерода(II)», то римской цифрой (II) указывают степень окисления углерода +2 в оксиде.
Далее, для атома азота возможны валентности I, II, III, IV. Обратите внимание, несмотря на то, что азот находиться в пятой группе (VА) Периодической системы, валентности пять у азота нет. Степень окисления +5 есть, а валентности пять нет. Связано это также с электронным строением атома азота.
У азота три неспаренных электрона, поэтому азот проявляет валентность III, например, в молекулах аммиака NH₃, азотистой кислоты HNO₂ и её солей нитритов.
Но вот валентность IV атом азота может принимать, как раз по донорно-акцепторному механизму, например, при образовании катиона аммония NH₄⁺ «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
В катионе аммония четыре ковалентных связи, три из них образовались по обменному механизму (азот и водород обменялись своими свободными электронами), а четвёртая ковалентная связь (четвёртая валентность азота) образовалась по донорно-акцепторному механизму. Азот - донор предоставляет неподелённую электронную пару, а катион водорода - акцептор, принимает пару электронов от азота в свою пустую квантовую ячейку.
В молекулах азотной кислоты HNO₃ валентность азота также IV, и образована четвёртая валентность по донорно-акцепторному механизму. А три валентности по обменному механизму.
Пунктирной линией на рисунке изображена так называемая делокализованная π-связь, которую ещё называют «полуторной».
Валентность азота также IV и в молекуле оксида азота N₂O₅, и в солях азотной кислоты, например, в нитратах, NaNO₃ - нитрат натрия.
Валентность кислорода.
Почти всегда кислород имеет валентность, равную II.
И связано это с его электронным строением: два свободных электрона (две неспаренные стрелки в двух квантовых ячейках) образуют две связи с двумя другими свободными электронами других атомов, а могут и между собой, образуя молекулу кислорода О_2.
В структурных формулах сложных веществ ковалентные связи обозначают валентным штрихом, а само числовое значение валентности обозначают надстрочным индексом над элементом в его соединении, римской цифрой от I до VII.
Видим, что сера шестивалентна (у неё шесть валентных штрихов, обозначающих ковалентные связи), кислород двухвалентен (у него по два валентных штриха), водород одновалентен (у водорода по одному валентному штриху).
В качестве дополнительных примеров приведём структурные формулы кислородсодержащих кислот. При рассмотрении этих структурных формул хорошо видно, почему кислородсодержащие кислоты называют кислотными гидроксидами. Ведь именно в структурных формулах (а не молекулярных) хорошо видны гидроксогруппы (—O—H). Довольно часто, между кислородом и водородом гидроксогруппы, валентный штрих не ставят, вот так: —OH
Валентность бывает постоянной и переменной.
Постоянная валентность — показатель, который не меняется независимо от соединения элемента с другими веществами.
Например, одновалентны H, Li, Na, K, Rb, Cs; двухвалентны Be, Mg, Ca, Sr, Ba; трёхвалентны B, Al.
Переменная валентность — показатель, который меняется в зависимости от того, с атомом какого химического элемента произошло соединение. Для неё характерны следующие виды:
- высшая, характерна для элементов, расположенных в главной подгруппе; для них валентность равна номеру группы.
- низшая, для её определения необходимо от 8 отнять номер группы.
- промежуточная, как правило, соответствует чётности или нечётности группы.
Степень окисления и валентность — это разные понятия.
Степень окисления — это условный заряд атома, он может быть и положительным и отрицательным. А вот образовать отрицательное число связей атом никак не может, поэтому валентность не бывает отрицательной. Хотя, численно, степени окисления довольно часто совпадают с валентностями. Например, в молекуле серной кислоты: H₂SO₄
- валентность серы VI, степень окисления серы +6;
- валентность кислорода II, степень окисления кислорода -2;
- валентность водорода I, степень окисления водорода +1.
А вот в молекуле пероксида водорода Н₂О₂ валентность кислорода численно не совпадает с его валентностью. Валентность кислорода II, а степень окисления кислорода —1: «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Азот N в пятой группе (VA), но валентности V у азота нет. Есть валентность III у азота, в соединениях, например, в аммиаке .
Но, азот способен проявлять высшую валентность IV, например в катионе аммония, в котором четвёртая ковалентная связь образовалась по донорно-акцепторному механизму
Кислород Oв шестой группе (VIA), но валентности VI у кислорода нет, обычно валентность у кислорода в соединениях II.
Например, молекула воды:.
Хотя по донорно-акцепторному механизму образования третьей ковалентной связи, в молекуле угарного газа, кислород может проявлять валентность III, вот. И у углерода в угарном газе валентность (III).
Фтор F в седьмой группе (VIIA), но валентности VII у фтора нет, валентность фтора всегда один (I), то есть фтор образует одинарную ковалентную связь, например, молекула фтороводорода H－F.
Валентность инертных (благородных) газов VIII-й группы равна нулю (0). Это связано с тем, что их атомы не образуют соединений с другими элементами из-за заполненной валентной электронной оболочки. Но, вот есть и тут исключение из правила. Ксенон в оксиде ксенона XeO₄ проявляет валентность VIII.
Степень окисления и валентность элементов в высших оксидах и в летучих водородных соединениях.
Высший оксид - это оксид элемента, в котором его степень окисления максимальна, например: оксид азота(V) N₂O₅, оксид серы (VI) SО₃, оксид хрома(VI) СгO₃.
В некоторых вариантах Периодической системы химических элементов высшие оксиды изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов, где символом R обозначают элемент данной группы.
Летучие водородные соединения - именно так ещё называют ковалентные гидриды: CH₄, SiH₄, NH₃, PH₃, AsH₃, H₃Sb, H₂O, H₂S, H₂Sе, HF, HCl, HBr, HI. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Перечисленные ковалентные гидриды - газообразны при температуре +20⁰С и более, кроме жидкой воды, так как её молекулы удерживаются между собой водородными связями. Поэтому перечисленные ковалентные гидриды элементов IVA-VIIA групп ещё называют летучими водородными соединениями.
Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности:
RH₄, RH₃, RH₂, RH. Где R - элемент неметалл группы с IVA по VIIIA.
В летучих водородных соединениях степень окисления водорода положительна плюс один (+1). Соответственно, степень окисления второго элемента, в летучих водородных соединениях, будет численно равна индексу у водорода со знаком минус «―».