Валентность и степень окисления элементов — тренажёр для 8 класса

Раздел 1 — Определение

Валентность — это способность атома элемента образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов. Числовое значение валентности равно количеству общих электронных пар, которые атом образует в соединении, и записывается римскими цифрами: H(I), O(II), Al(III), C(IV).

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный при допущении, что все связи в веществе ионные, то есть общие электронные пары полностью перешли к более электроотрицательному атому. Записывается арабской цифрой со знаком впереди: H⁺¹, O⁻², S⁺⁶.

Различие двух понятий лежит в природе величины: валентность отражает число связей и знака не имеет, степень окисления отражает смещение электронов и знак имеет обязательно. В азоте N₂ атом трёхвалентен (тройная связь), а степень окисления его равна нулю — электроны не смещены ни к одному из одинаковых атомов.

Тема занимает место фундамента всей неорганической химии: без валентности невозможно составить формулу вещества, без степени окисления — уравнять окислительно-восстановительную реакцию в 9 классе.

Раздел 2 — Ключевые правила

Правило электронейтральности управляет обоими понятиями: сумма единиц валентности одного элемента в формуле равна сумме единиц валентности другого, а алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.

1. Постоянная валентность. Водород всегда I, кислород всегда II (кроме пероксидов), металлы I группы — I, II группы и цинк — II, алюминий — III. Пример: в CaO кальций двухвалентен.
2. Произведение равенства. Индекс × валентность первого элемента = индекс × валентность второго. В Fe₂O₃: 2 · x = 3 · 2, откуда x = III.
3. Степень окисления простого вещества равна нулю. В O₂, Fe, S₈, Cl₂ смещения электронов нет.
4. Постоянные степени окисления. Металлы I A — +1, II A и Zn — +2, Al — +3, фтор всегда −1, водород +1 (в гидридах металлов −1), кислород −2 (в пероксидах −1, в OF₂ +2).
5. Сумма степеней окисления. В молекуле сумма равна 0, в ионе — заряду иона: в SO₄²⁻ сумма равна −2.
6. Знак определяет электроотрицательность. В бинарном соединении отрицательную степень окисления получает элемент, стоящий правее и выше в Периодической системе: в NaCl хлор −1.

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Определить валентность фосфора в P₂O₅. Кислород двухвалентен, атомов кислорода пять, общее число единиц валентности равно 5 · 2 = 10. Эти десять единиц делятся между двумя атомами фосфора: 10 : 2 = 5. Вывод: фосфор пятивалентен, P(V).

Пример 2. Составить формулу соединения алюминия с кислородом. Валентности: Al(III), O(II). Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6. Индекс алюминия: 6 : 3 = 2, индекс кислорода: 6 : 2 = 3. Вывод: формула Al₂O₃, проверка 2 · 3 = 3 · 2 = 6 выполняется.

Пример 3. Найти степень окисления серы в H₂SO₄. Водород даёт 2 · (+1) = +2, кислород даёт 4 · (−2) = −8. Составляем уравнение: (+2) + x + (−8) = 0, отсюда x = +6. Вывод: сера в серной кислоте имеет высшую степень окисления +6, совпадающую с номером группы.

Пример 4. Определить степень окисления марганца в KMnO₄. Калий +1, четыре кислорода −8. Уравнение: (+1) + x + (−8) = 0 → x = +7. Вывод: правило суммы работает и для трёхэлементных веществ, если известны постоянные значения двух элементов.

Пример 5. Сравнить валентность и степень окисления кислорода в H₂O₂. Каждый атом кислорода образует две связи: одну с водородом, одну с соседним кислородом, значит валентность равна II. Связь O—O неполярна, электроны не смещены, поэтому кислород забирает заряд только у водорода: степень окисления равна −1. Вывод: числовые значения двух величин совпадают не всегда.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Приписывание валентности знака. Ошибка возникает из-за смешения двух понятий при одинаковых числовых значениях. Неправильно: S(+VI). Правильно: валентность S(VI), степень окисления S⁺⁶.

Нулевая валентность в простом веществе. Ученик переносит правило степеней окисления на валентность. Неправильно: в Cl₂ валентность хлора 0. Правильно: валентность I, степень окисления 0.

Потеря индекса при подсчёте. Степень окисления умножают на один атом вместо всех. Неправильно: в Al₂O₃ сумма равна (+3) + (−6) = −3. Правильно: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0.

Несокращённые индексы. При составлении формулы берут произведение валентностей вместо НОК. Неправильно: для Ca(II) и O(II) получают Ca₂O₂. Правильно: НОК(2;2) = 2, формула CaO.

Автоматическое −2 у кислорода. Правило применяют без проверки типа вещества. Неправильно: в Na₂O₂ кислород −2. Правильно: пероксид, кислород −1.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Определите тип задачи: найти валентность, составить формулу или вычислить степень окисления.
2. Выпишите элементы с постоянными значениями (H, O, металлы I–III групп, F).
3. Для валентности умножьте известную валентность на её индекс и разделите результат на индекс искомого элемента.
4. Для составления формулы найдите НОК валентностей и разделите его на валентность каждого элемента — получите индексы.
5. Для степени окисления обозначьте искомую величину через x и составьте уравнение суммы: сумма произведений «степень окисления × индекс» равна 0 (для иона — заряду иона).
6. Решите линейное уравнение относительно x, сохраняя знак.
7. Проверьте результат: подставьте найденное число обратно и убедитесь, что сумма равна нулю, а индексы в формуле сокращены до наименьших целых.

Раздел 7 — Как запомнить

• «Валентность — сколько рук, степень окисления — сколько долгов»: руки без знака, долги со знаком.
• Высшая степень окисления равна номеру группы, низшая для неметалла = номер группы − 8. Сера: высшая +6, низшая −2.
• Приём «крест-накрест»: валентность одного элемента опускается индексом к другому — Al(III) и O(II) дают Al₂O₃, после чего индексы сокращают.
• Опорная тройка постоянных значений: H = +1, O = −2, F = −1. Через них решается любое школьное уравнение суммы.