В химии степень окисления или число окисления — это гипотетический заряд атома, если все его связи с другими атомами были полностью ионными . Он описывает степень окисления (потерю электронов ) атома в химическом соединении . Концептуально степень окисления может быть положительной, отрицательной или нулевой. Помимо почти чистой ионной связи , многие ковалентные связи демонстрируют сильную ионность, что делает степень окисления полезным предиктором заряда.
Степень окисления атома не отражает «реальный» заряд этого атома или любое другое фактическое атомное свойство. Это особенно верно для высоких степеней окисления, где энергия ионизации, необходимая для получения множественного положительного иона, намного больше, чем энергии, доступные в химических реакциях. Кроме того, степени окисления атомов в данном соединении могут различаться в зависимости от выбора шкалы электроотрицательности, используемой при их расчете. Таким образом, степень окисления атома в соединении является чисто формализмом. Тем не менее, она важна для понимания номенклатурных соглашений неорганических соединений . Кроме того, несколько наблюдений относительно химических реакций можно объяснить на базовом уровне в терминах степеней окисления.
Степени окисления обычно представлены целыми числами , которые могут быть положительными, нулевыми или отрицательными. В некоторых случаях средняя степень окисления элемента представляет собой дробь, например 8/3 для железа в магнетите Fe 3 O 4 (см. ниже). Сообщается, что наивысшая известная степень окисления составляет +9, проявляемая иридием в катионе тетроксиридия(IX) ( IrO+4). [1] Прогнозируется, что даже степень окисления +10 может быть достигнута платиной в тетроксоплатине(X), PtO2+4[2] Самая низкая степень окисления - −5, как у бора в Al 3 BC [3] и галлия в дигаллиде пентамагния ( Mg 5 Ga 2 ).
В номенклатуре Стокса , которая обычно используется для неорганических соединений, степень окисления обозначается римской цифрой, помещенной после названия элемента в скобках или в виде надстрочного индекса после символа элемента, например, оксид железа (III) .
Термин окисление впервые был использован Антуаном Лавуазье для обозначения реакции вещества с кислородом . Гораздо позже стало понятно, что вещество при окислении теряет электроны, и значение было расширено, чтобы включить другие реакции, в которых теряются электроны, независимо от того, участвует ли кислород. Увеличение степени окисления атома посредством химической реакции известно как окисление; уменьшение степени окисления известно как восстановление . Такие реакции включают формальный перенос электронов: чистый прирост электронов является восстановлением, а чистая потеря электронов является окислением. Для чистых элементов степень окисления равна нулю.
Степени окисления присваиваются элементам в молекуле таким образом, что общая сумма равна нулю в нейтральной молекуле. Число указывает степень окисления каждого элемента, вызванную молекулярной связью. В ионных молекулах степени окисления совпадают с ионным зарядом элемента. Таким образом, для KCl калию присваивается +1, а хлору - -1. [4] Полный набор правил для присвоения степеней окисления обсуждается в следующих разделах.
Степени окисления являются основополагающими в химической номенклатуре ионных соединений. Например, соединения Cu со степенью окисления Cu +2 называются медными , а со степенью окисления Cu +1 — медистыми . [4] : 172 Степени окисления элементов позволяют предсказывать химические формулы и реакции, особенно окислительно-восстановительные реакции . Степени окисления наиболее стабильных химических соединений следуют тенденциям в периодической таблице. [5] : 140
ИЮПАК опубликовал «Комплексное определение степени окисления (Рекомендации ИЮПАК 2016 г.)». [6] Это выжимка из технического отчета ИЮПАК «К комплексному определению степени окисления» от 2014 г. [7] Текущее определение степени окисления в Золотой книге ИЮПАК выглядит следующим образом:
Степень окисления атома — это заряд этого атома после ионного приближения его гетероядерных связей.
— ИЮПАК [8]
и термин «степень окисления» является почти синонимом. [9]
Ионное приближение означает экстраполяцию связей к ионным. Для ионного приближения рассматривалось несколько критериев [10] :
В связи между двумя различными элементами электроны связи назначаются ее основному атомному вкладчику, как правило, с более высокой электроотрицательностью; в связи между двумя атомами одного и того же элемента электроны делятся поровну. Это происходит потому, что большинство шкал электроотрицательности зависят от состояния связи атома, что делает назначение степени окисления в некоторой степени круговым аргументом. Например, некоторые шкалы могут давать необычные степени окисления, такие как −6 для платины в PtH2−4, для шкал Полинга и Малликена . [7] Дипольные моменты иногда также приводят к аномальным степеням окисления, например, в CO и NO , которые ориентированы своим положительным концом к кислороду. Таким образом, это оставляет вклад атома в связывающую МО, атомно-орбитальную энергию и из квантово-химических расчетов зарядов в качестве единственных жизнеспособных критериев с убедительными значениями для ионного приближения. Однако для простой оценки для ионного приближения мы можем использовать электроотрицательности Аллена , [7], поскольку только эта шкала электроотрицательности действительно независима от степени окисления, поскольку она связана со средней энергией валентных электронов свободного атома:
Группа → | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
↓ Период | ||||||||||||||||||
1 | Н 2.300 | Он 4.160 | ||||||||||||||||
2 | Ли 0,912 | Быть 1.576 | Б 2.051 | С 2.544 | Н 3.066 | О 3.610 | Ф 4.193 | Не 4.787 | ||||||||||
3 | Na 0,869 | Мг 1,293 | Аl 1.613 | Си 1.916 | П 2.253 | С 2.589 | Кл 2.869 | Ар 3.242 | ||||||||||
4 | К 0,734 | Около 1.034 | Сц 1.19 | Ти 1.38 | В 1.53 | Кр 1,65 | Мн 1,75 | Fe 1,80 | Со 1,84 | Ni 1,88 | 1,85 КР | Zn 1.588 | Га 1.756 | Ge 1.994 | Как 2.211 | Сэ 2.424 | 2.685 Br | 2.966 крон |
5 | 0,706 руб . | Ср 0,963 | Г 1.12 | Зр 1,32 | Количество 1,41 | Пн 1.47 | Тс 1,51 | Ру 1.54 | Рс 1,56 | Пд 1,58 | Аг 1,87 | Кд 1.521 | В 1.656 | Сн 1.824 | 1.984 сб . | Те 2.158 | Я 2.359 | Хе 2.582 |
6 | Сs 0,659 | Ба 0,881 | Лу 1.09 | Вч 1.16 | Та 1.34 | Вт 1.47 | Относительно 1.60 | Ось 1.65 | Ир 1,68 | Пт 1.72 | Ау 1,92 | Ртуть 1,765 | 1.789 Тл | Pb 1.854 | Би 2.01 | По 2.19 | В 2.39 | Рн 2.60 |
7 | Фр 0.67 | Ра 0,89 | ||||||||||||||||
См. также: Электроотрицательность элементов (страница данных) |
В то время как на вводных уровнях обучения химии используются постулированные степени окисления, в рекомендациях ИЮПАК [6] и в статье Золотой книги [8] перечислены два совершенно общих алгоритма для расчета степеней окисления элементов в химических соединениях.
Вводный курс химии использует постулаты: степень окисления элемента в химической формуле рассчитывается на основе общего заряда и постулируемых степеней окисления всех остальных атомов.
Простой пример основан на двух постулатах:
где OS означает степень окисления. Этот подход дает правильные степени окисления в оксидах и гидроксидах любого отдельного элемента, а также в кислотах, таких как серная кислота ( H2SO4 ) или дихромовая кислота ( H2Cr2O7 ) . Его охват может быть расширен либо списком исключений, либо назначением приоритета постулатам. Последнее работает для перекиси водорода (H2O2 ) , где приоритет правила 1 оставляет оба кислорода со степенью окисления −1.
Дополнительные постулаты и их ранжирование могут расширить диапазон соединений, чтобы соответствовать объему учебника. В качестве примера, один постулатный алгоритм из многих возможных; в последовательности убывания приоритета:
Этот набор постулатов охватывает степени окисления фторидов, хлоридов, бромидов, оксидов, гидроксидов и гидридов любого отдельного элемента. Он охватывает все оксокислоты любого центрального атома (и все их фтор-, хлор- и бром-родственники), а также соли таких кислот с металлами 1-й и 2-й групп. Он также охватывает иодиды , сульфиды и подобные простые соли этих металлов.
Этот алгоритм выполняется на структуре Льюиса (диаграмма, которая показывает все валентные электроны ). Степень окисления равна заряду атома после того, как каждая из его гетероядерных связей была назначена более электроотрицательному партнеру связи (за исключением случаев, когда этот партнер является обратимо связанным лигандом кислоты Льюиса), а гомоядерные связи были разделены поровну:
где каждый «—» представляет собой электронную пару (либо общую для двух атомов, либо принадлежащую только одному атому), а «OS» — степень окисления как числовая переменная.
После того, как электроны распределены в соответствии с вертикальными красными линиями в формуле, общее число валентных электронов, которые теперь «принадлежат» каждому атому, вычитается из числа N валентных электронов нейтрального атома (например, 5 для азота в группе 15 ), чтобы получить степень окисления этого атома.
Этот пример показывает важность описания связи. Его суммарная формула, HNO 3 , соответствует двум структурным изомерам ; пероксиазотистой кислоте на рисунке выше и более стабильной азотной кислоте . С формулой HNO 3 простой подход без учета связей дает −2 для всех трех кислородов и +5 для азота, что верно для азотной кислоты. Однако для пероксиазотистой кислоты оба кислорода в связи O–O имеют OS = −1, а азот имеет OS = +3, что требует структуры для понимания.
Органические соединения обрабатываются аналогичным образом; здесь в качестве примера приведены функциональные группы, находящиеся между метаном ( CH 4 ) и диоксидом углерода ( CO 2 ):
Аналогично для соединений переходных металлов ; CrO(O 2 ) 2 слева имеет в общей сложности 36 валентных электронов (18 пар для распределения), а гексакарбонилхром ( Cr(CO) 6 ) справа имеет 66 валентных электронов (33 пары):
Ключевым шагом является построение структуры Льюиса молекулы (нейтральной, катионной, анионной): Символы атомов расположены таким образом, что пары атомов могут быть соединены одинарными двухэлектронными связями, как в молекуле (своего рода «скелетная» структура), а оставшиеся валентные электроны распределены таким образом, что атомы sp получают октет ( дуэт для водорода) с приоритетом, который увеличивается пропорционально электроотрицательности. В некоторых случаях это приводит к альтернативным формулам, которые отличаются порядками связей (полный набор которых называется резонансными формулами ). Рассмотрим сульфат- анион ( SO2−4) с 32 валентными электронами; 24 от кислорода, 6 от серы, 2 от заряда аниона, полученного от подразумеваемого катиона. Порядки связей с терминальными кислородами не влияют на степень окисления, пока у кислородов есть октеты. Уже скелетная структура, вверху слева, дает правильные степени окисления, как и структура Льюиса, вверху справа (одна из резонансных формул):
Формула порядка связи внизу наиболее близка к реальности, когда четыре эквивалентных атома кислорода имеют общий порядок связи 2. Этот общий порядок включает связь порядка 1/2 к подразумеваемому катиону и следует правилу 8 − N [7], требующему, чтобы общий порядок связи атома основной группы был равен 8 − N валентным электронам нейтрального атома, причем приоритет пропорционально увеличивается с электроотрицательностью.
Этот алгоритм одинаково работает для молекулярных катионов, состоящих из нескольких атомов. Примером может служить катион аммония с 8 валентными электронами (5 от азота, 4 от водорода, минус 1 электрон для положительного заряда катиона):
Рисование структур Льюиса с электронными парами в виде тире подчеркивает существенную эквивалентность пар связей и неподеленных пар при подсчете электронов и перемещении связей на атомы. Структуры, нарисованные с электронными парами точек, конечно, идентичны во всех отношениях:
Алгоритм содержит предостережение, которое касается редких случаев комплексов переходных металлов с типом лиганда , который обратимо связан как кислота Льюиса (как акцептор электронной пары от переходного металла); называемый лигандом «Z-типа» в методе классификации ковалентных связей Грина . Предостережение возникает из-за упрощения использования электроотрицательности вместо электронной преданности на основе MO для определения ионного знака. [6] Одним из ранних примеров является комплекс O 2 S−RhCl(CO)( PPh 3 ) 2 [13] с диоксидом серы ( SO 2 ) в качестве обратимо связанного акцепторного лиганда (высвобождаемого при нагревании). Таким образом, связь Rh−S экстраполируется ионной против электроотрицательностей Аллена родия и серы, что дает степень окисления +1 для родия:
Этот алгоритм работает со структурами Льюиса и графами связей протяженных (немолекулярных) твердых тел:
Степень окисления получается путем суммирования порядков гетероядерных связей у атома как положительных, если этот атом является электроположительным партнером в определенной связи, и как отрицательных, если нет, и формальный заряд атома (если таковой имеется) добавляется к этой сумме. Применяется то же предостережение, что и выше.
Пример структуры Льюиса без формального обвинения,
иллюстрирует, что в этом алгоритме гомоядерные связи просто игнорируются (порядки связей обозначены синим цветом).
Окись углерода является примером структуры Льюиса с формальными зарядами :
Для получения степеней окисления формальные заряды суммируются, причем значение порядка связи принимается положительным у углерода и отрицательным у кислорода.
Применительно к молекулярным ионам этот алгоритм учитывает фактическое расположение формального (ионного) заряда, как показано в структуре Льюиса. Например, суммирование порядков связей в катионе аммония дает −4 на азоте формального заряда +1, причем два числа добавляются к степени окисления −3:
Сумма степеней окисления иона равна его заряду (так как для нейтральной молекулы он равен нулю).
Также в анионах формальные (ионные) заряды должны учитываться, когда они не равны нулю. Для сульфата это иллюстрируется скелетными или льюисовскими структурами (вверху) по сравнению с формулой порядка связи всех эквивалентных кислородов, удовлетворяющих правилам октета и 8 − N (внизу):
Граф связей в химии твердого тела — это химическая формула расширенной структуры, в которой показаны прямые связи связей. Примером является перовскит AuORb 3 , элементарная ячейка которого изображена слева, а граф связей (с добавленными числовыми значениями) справа:
Мы видим, что атом кислорода связывается с шестью ближайшими катионами рубидия , каждый из которых имеет 4 связи с анионом аурида . Граф связей суммирует эти связи. Порядки связей (также называемые валентностями связей ) суммируются в степени окисления в соответствии с прикрепленным знаком ионного приближения связи (в графах связей нет формальных зарядов).
Определение степеней окисления из графика связей можно проиллюстрировать на примере ильменита , FeTiO 3 . Мы можем спросить, содержит ли минерал Fe 2+ и Ti 4+ , или Fe 3+ и Ti 3+ . В его кристаллической структуре каждый атом металла связан с шестью атомами кислорода, а каждый из эквивалентных атомов кислорода — с двумя атомами железа и двумя атомами титана , как на графике связей ниже. Экспериментальные данные показывают, что три связи металл-кислород в октаэдре короткие, а три — длинные (металлы нецентральные). Порядки связей (валентности), полученные из длин связей методом валентности связей , составляют в сумме 2,01 для Fe и 3,99 для Ti; что можно округлить до степеней окисления +2 и +4 соответственно:
Степени окисления могут быть полезны для балансировки химических уравнений для окислительно-восстановительных (или окислительно-восстановительных ) реакций, поскольку изменения в окисленных атомах должны быть сбалансированы изменениями в восстановленных атомах. Например, в реакции ацетальдегида с реагентом Толленса для образования уксусной кислоты (показано ниже), карбонильный атом углерода меняет свою степень окисления с +1 на +3 (теряет два электрона). Это окисление уравновешивается восстановлением двух катионов Ag + до Ag 0 (приобретая в общей сложности два электрона).
Неорганическим примером является реакция Беттендорфа с использованием дихлорида олова ( SnCl2 ) для доказательства присутствия ионов арсенита в концентрированном экстракте HCl . Когда присутствует мышьяк(III), появляется коричневая окраска, образующая темный осадок мышьяка , согласно следующей упрощенной реакции:
Здесь три атома олова окисляются из степени окисления +2 в +4, давая шесть электронов, которые восстанавливают два атома мышьяка из степени окисления +3 в 0. Простое однолинейное равновесие выглядит следующим образом: две окислительно-восстановительные пары записываются по мере их реакции;
Одно олово окисляется от степени окисления +2 до +4, двухэлектронный шаг, поэтому 2 пишется перед двумя партнерами мышьяка. Один мышьяк восстанавливается от +3 до 0, трехэлектронный шаг, поэтому 3 пишется перед двумя партнерами олова. Альтернативная трехстрочная процедура заключается в том, чтобы записать отдельно полуреакции окисления и восстановления, каждая из которых уравновешена электронами, а затем суммировать их так, чтобы электроны были вычеркнуты. В общем, эти окислительно-восстановительные балансы (однострочный баланс или каждая полуреакция) необходимо проверить на предмет того, чтобы суммы ионных и электронных зарядов на обеих сторонах уравнения были действительно равны. Если они не равны, добавляются подходящие ионы для уравновешивания зарядов и неокислительно-восстановительного элементного баланса.
Номинальная степень окисления — это общий термин, имеющий два различных определения:
Формулы Льюиса являются приближениями химической реальности, основанными на правилах, как и электроотрицательности Аллена . Тем не менее, степени окисления могут казаться неоднозначными, когда их определение не является простым. Если только эксперимент может определить степень окисления, определение на основе правил неоднозначно (недостаточно). Существуют также действительно дихотомические значения, которые определяются произвольно.
Кажущиеся неоднозначными степени окисления выводятся из набора резонансных формул равного веса для молекулы, имеющей гетероядерные связи, где связность атомов не соответствует числу двухэлектронных связей, диктуемых правилом 8 − N. [ 7] : 1027 Примером является S 2 N 2 , где четыре резонансные формулы с одной двойной связью S=N имеют степени окисления +2 и +4 для двух атомов серы, которые в среднем составляют +3, поскольку два атома серы эквивалентны в этой квадратной молекуле.
Дробные степени окисления часто используются для представления средней степени окисления нескольких атомов одного и того же элемента в структуре. Например, формула магнетита — Fe
3О
4, что подразумевает среднюю степень окисления железа + 8/3 . [17] : 81–82 Однако это среднее значение может быть не репрезентативным, если атомы не эквивалентны. В Fe
3О
4кристалл ниже 120 К (−153 °C), две трети катионов — Fe3+
и одна треть - Fe2+
, и формулу можно более наглядно представить как FeO· Fe
2О
3. [18]
Аналогично, пропан , C
3ЧАС
8, был описан как имеющий степень окисления углерода − 8/3 . [19] Опять же, это среднее значение, поскольку структура молекулы — H
3С−СН
2−Ч
3, причем первый и третий атомы углерода имеют степень окисления −3, а центральный атом −2.
Примером с истинными дробными степенями окисления для эквивалентных атомов является супероксид калия , KO
2. Двухатомный супероксидный ион O−
2имеет общий заряд −1, поэтому каждому из его двух эквивалентных атомов кислорода присваивается степень окисления − 1/2 . Этот ион можно описать как резонансный гибрид двух структур Льюиса, где каждый кислород имеет степень окисления 0 в одной структуре и −1 в другой.
Для циклопентадиенильного аниона C
5ЧАС−
5, степень окисления C равна −1 + − 1/5 = − 6/5 . −1 возникает потому, что каждый атом углерода связан с одним атомом водорода (менее электроотрицательный элемент), а − 1/5 потому что общий ионный заряд −1 делится между пятью эквивалентными атомами углерода. Опять же, это можно описать как резонансный гибрид пяти эквивалентных структур, каждая из которых имеет четыре атома углерода со степенью окисления −1 и один с −2.
Степень окисления | Примеры видов |
---|---|
− 6/5 | С 5ЧАС− 5 |
− 6/7 | С 7ЧАС+ 7 |
+ 3/2 | С 4О2− 4 |
Наконец, дробные степени окисления не используются в химической номенклатуре. [20] : 66 Например, свинцовый сурик Pb
3О
4представлен в виде оксида свинца (II, IV), показывающего степени окисления двух неэквивалентных атомов свинца .
Большинство элементов имеют более одной возможной степени окисления. Например, углерод имеет девять возможных целочисленных степеней окисления от −4 до +4:
Степень окисления | Пример соединения |
---|---|
−4 | Ч. 4 |
−3 | С 2ЧАС 6 |
−2 | С 2ЧАС 4, Ч. 3Кл |
−1 | С 2ЧАС 2, С 6ЧАС 6, (Ч 2ОЙ) 2 |
0 | HCHO , СН 2Кл 2 |
+1 | OCHCHO , CHCl 2CHCl 2 |
+2 | HCOOH , CHCl 3 |
+3 | ХУККУХ , С 2Кл 6 |
+4 | ССl 4, Колорадо 2 |
Многие соединения с блеском и электропроводностью сохраняют простую стехиометрическую формулу, например, золотистый TiO , сине-черный RuO 2 или медный ReO 3 , все с очевидной степенью окисления. В конечном счете, назначение свободных металлических электронов одному из связанных атомов не является исчерпывающим и может привести к необычным степеням окисления. Примерами являются LiPb и Cu
3Au упорядоченные сплавы , состав и структура которых в значительной степени определяются атомным размером и факторами упаковки . Если для окислительно-восстановительного баланса требуется степень окисления, лучше всего установить ее на 0 для всех атомов такого сплава.
Это список известных степеней окисления химических элементов , за исключением нецелых значений. Наиболее распространенные состояния выделены жирным шрифтом. Таблица основана на таблице Гринвуда и Эрншоу [21] с отмеченными дополнениями. Каждый элемент существует в степени окисления 0, когда он является чистым неионизированным элементом в любой фазе, будь то одноатомная или многоатомная аллотропная модификация . В столбце для степени окисления 0 показаны только элементы, которые, как известно, существуют в степени окисления 0 в соединениях.
Элемент | Отрицательные состояния | Положительные состояния | Группа | Примечания | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
−5 | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | +8 | +9 | |||||
З | |||||||||||||||||||
1 | водород | ЧАС | −1 | +1 | 1 | ||||||||||||||
2 | гелий | Он | 18 | ||||||||||||||||
3 | литий | Ли | 0 | +1 | 1 | [22] | |||||||||||||
4 | бериллий | Быть | 0 | +1 | +2 | 2 | [23] [24] | ||||||||||||
5 | бор | Б | −5 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | 13 | [25] [26] [27] [28] [28] [29] [30] | |||||||||
6 | углерод | С | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 14 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] | ||||||
7 | азот | Н | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 15 | [28] [28] [31] [28] [28] [28] | ||||||
8 | кислород | О | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | 16 | [28] [28] [28] | ||||||||||
9 | фтор | Ф | −1 | 0 | 17 | [32] | |||||||||||||
10 | неон | Не | 18 | ||||||||||||||||
11 | натрий | На | −1 | 0 | +1 | 1 | [28] [33] | ||||||||||||
12 | магний | Мг | 0 | +1 | +2 | 2 | [34] [35] | ||||||||||||
13 | алюминий | Эл | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | 13 | [36] [28] [37] [38] ? | |||||||||
14 | кремний | Си | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 14 | [28] [28] [28] [39] [28] [40] [28] [28] | ||||||
15 | фосфор | П | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 15 | [28] [28] [41] [28] [42] [28] [28] | ||||||
16 | сера | С | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 16 | [28] [28] [28] [28] | ||||||
17 | хлор | Кл | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 17 | [28] [28] [28] | |||||||
18 | аргон | Ар | 18 | ||||||||||||||||
19 | калий | К | −1 | +1 | 1 | ? | |||||||||||||
20 | кальций | Ca | +1 | +2 | 2 | [43] | |||||||||||||
21 | скандий | Сц | 0 | +1 | +2 | +3 | 3 | [44] [45] [46] | |||||||||||
22 | титан | Ти | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 4 | [28] [47] [48] [28] [28] ? | ||||||||
23 | ванадий | В | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 5 | [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||||
24 | хром | Кр | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 6 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||
25 | марганец | Мн | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 7 | [28] [28] [28] , [28] [28] , [28] ? | |||||
26 | железо | Фе | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 8 | [28] [28] [49] [28] [50] [28] [51] ? | ||||
27 | кобальт | Ко | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 9 | [28] [28] [28] [52] ? | |||||||
28 | никель | Ни | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 10 | [28] [53] [28] [54] ? | ||||||||
29 | медь | Cu | −2 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 11 | [55] [28] [28] [28] ? | |||||||||
30 | цинк | Zn | −2 | 0 | +1 | +2 | 12 | ? | |||||||||||
31 | галлий | Га | −5 | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | 13 | [56] [28] [28] [57] ? | ||||||
32 | германий | Ге | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 14 | [58] [28] [28] ? | ||||||
33 | мышьяк | Как | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 15 | [59] [60] [28] ? | ||||||
34 | селен | Сэ | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 16 | [61] [62] ? | ||||||
35 | бром | Бр | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +7 | 17 | [63] [28] [28] | ||||||||
36 | криптон | Кр | +1 | +2 | 18 | ? | |||||||||||||
37 | рубидий | Руб. | −1 | +1 | 1 | ? | |||||||||||||
38 | стронций | Ср | +1 | +2 | 2 | [64] | |||||||||||||
39 | иттрий | И | 0 | +1 | +2 | +3 | 3 | [65] [28] ? | |||||||||||
40 | цирконий | Зр | +1 | +2 | +3 | +4 | 4 | [28] [66] [67] [28] | |||||||||||
41 | ниобий | Кол-во | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 5 | [28] [28] [28] [28] ? | |||||||
42 | молибден | Мо | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 6 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||
43 | технеций | Тс | −3 | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 7 | [28] [28] [28 ] [ 28] [28] [28] [28] | ||||||
44 | рутений | Ру | −4 | −2 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | +8 | 8 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||
45 | родий | резус-фактор | −3 | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 9 | [68] [28] [28] [28] [28] [28] [28] [69] | ||||||
46 | палладий | Пд | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 10 | [70] ? | ||||||||||
47 | серебро | Аг | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | 11 | [71] [28] [28] ? | |||||||||
48 | кадмий | Кд | −2 | +1 | +2 | 12 | ? | ||||||||||||
49 | индий | В | −5 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | 13 | [72] [28] [28] [73] ? | ||||||||
50 | олово | Сн | −4 | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 14 | [74] [75] [76] ? | ||||||
51 | сурьма | Сб | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 15 | [77] ? | ||||||
52 | теллур | Те | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 16 | [28] ? | ||||||
53 | йод | я | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 17 | [78] ? | |||||||
54 | ксенон | Хе | +2 | +4 | +6 | +8 | 18 | [79] | |||||||||||
55 | цезий | Cs | −1 | +1 | 1 | [80] | |||||||||||||
56 | барий | Ба | +1 | +2 | 2 | ? | |||||||||||||
57 | лантан | Ла | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] [81] [28] | |||||||||||
58 | церий | Се | +1 | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [28] ? | |||||||||||
59 | празеодим | Пр | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | группы f-блоков | [65] [82] ? | |||||||||
60 | неодимовый | нд | 0 | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [65] [28] | |||||||||||
61 | прометий | ПМ | +2 | +3 | группы f-блоков | ? | |||||||||||||
62 | самарий | См | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] [83] [28] | |||||||||||
63 | европий | Евросоюз | 0 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] | ||||||||||||
64 | гадолиний | Б-г | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] [28] [28] | |||||||||||
65 | тербий | Тб | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [65] [81] [28] ? | ||||||||||
66 | диспрозий | Дай | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [65] [28] ? | ||||||||||
67 | гольмий | Хо | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] ? | |||||||||||
68 | эрбий | Э-э | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] ? | |||||||||||
69 | тулий | Тм | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] [81] [28] | |||||||||||
70 | иттербий | Ыб | 0 | +1 | +2 | +3 | группы f-блоков | [65] [81] [28] | |||||||||||
71 | лютеций | Лу | 0 | +1 | +2 | +3 | 3 | [65] ? | |||||||||||
72 | гафний | ВЧ | −2 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 4 | [28] , [28] ? | |||||||||
73 | тантал | Та | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 5 | [28] [28] [28] [28] ? | |||||||
74 | вольфрам | Вт | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 6 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||
75 | рений | Повторно | −3 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | 7 | [28] [28] [28] , [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||||
76 | осмий | Ос | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | +8 | 8 | [28] [28] [28] [28] [28] [28] [28] [28] ? | |||
77 | иридий | Ир | −3 | −2 | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | +8 | +9 | 9 | [28] [28] [28] [28] [28] [84] ? | |||
78 | платина | Пт | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | 10 | [28] [28] ? | |||||
79 | золото | Ау | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +5 | 11 | [28] [85] [28] [28] ? | |||||||
80 | Меркурий | рт.ст. | −2 | +1 | +2 | 12 | |||||||||||||
81 | таллий | Тл | −5 | −2 | −1 | +1 | +2 | +3 | 13 | [86] ? | |||||||||
82 | вести | свинец | −4 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | 14 | [28] [87] ? | |||||||
83 | висмут | Би | −3 | −2 | −1 | 0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | 15 | [28] [88] [28] ? | ||||||
84 | полоний | По | −2 | +2 | +4 | +5 | +6 | 16 | [89] [28] | ||||||||||
85 | астатин | В | −1 | +1 | +3 | +5 | +7 | 17 | [28] [28] [28] | ||||||||||
86 | радон | Рн | +2 | +6 | 18 | ? | |||||||||||||
87 | франций | Пт | +1 | 1 | |||||||||||||||
88 | радий | Ра | +2 | 2 | |||||||||||||||
89 | актиний | Ас | +3 | группы f-блоков | |||||||||||||||
90 | торий | Чт | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [90] [28] [28] ? | ||||||||||
91 | протактиний | Па | +2 | +3 | +4 | +5 | группы f-блоков | [28] [28] ? | |||||||||||
92 | уран | У | −1 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | группы f-блоков | [90] [91] [28] [28] ? | ||||||||
93 | нептуний | Нп | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | группы f-блоков | [28] [92] [28] [28] ? | |||||||||
94 | плутоний | Пу | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | +8 | группы f-блоков | [28] , [28] [28] [28] ? | ||||||||
95 | америций | Являюсь | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | группы f-блоков | [28] [28] [28] [28] | |||||||||
96 | кюрий | См | +3 | +4 | +5 | +6 | группы f-блоков | [28] [93] [94] | |||||||||||
97 | берклий | Бк | +2 | +3 | +4 | +5 | группы f-блоков | [28] [93] ? | |||||||||||
98 | калифорний | Ср. | +2 | +3 | +4 | +5 | группы f-блоков | [28] [28] [95] [93] | |||||||||||
99 | эйнштейний | Эс | +2 | +3 | +4 | группы f-блоков | [28] | ||||||||||||
100 | фермий | Фм | +2 | +3 | группы f-блоков | [28] | |||||||||||||
101 | менделевий | Мд | +2 | +3 | группы f-блоков | [28] | |||||||||||||
102 | нобелий | Нет | +2 | +3 | группы f-блоков | [28] | |||||||||||||
103 | лоуренсий | Лр | +3 | 3 | |||||||||||||||
104 | резерфордий | Рф | +3 | +4 | 4 | [96] | |||||||||||||
105 | дубний | Дб | +3 | +4 | +5 | 5 | [96] | ||||||||||||
106 | сиборгий | Сг | +3 | +4 | +5 | +6 | 6 | [96] | |||||||||||
107 | борий | Бх | +3 | +4 | +5 | +7 | 7 | [96] | |||||||||||
108 | хассий | Хс | +3 | +4 | +6 | +8 | 8 | [96] | |||||||||||
109 | мейтнерий | Мт | +1 | +3 | +6 | 9 | [96] | ||||||||||||
110 | дармштадтиум | Дс | +2 | +4 | +6 | 10 | [96] | ||||||||||||
111 | рентгений | Рг | −1 | +3 | +5 | 11 | [96] | ||||||||||||
112 | копернициум | Cn | +2 | +4 | 12 | [96] | |||||||||||||
113 | нихоний | Нч | 13 | ||||||||||||||||
114 | флеровий | Фл | 14 | ||||||||||||||||
115 | москвий | Мак | 15 | ||||||||||||||||
116 | ливерморий | Ур | −2 | +4 | 16 | [97] | |||||||||||||
117 | теннессин | Тс | −1 | +5 | 17 | ||||||||||||||
118 | оганесон | Ог | −1 | +1 | +2 | +4 | +6 | 18 | [96] [98] [99] [99] [96] |
Рисунок с похожим форматом был использован Ирвингом Ленгмюром в 1919 году в одной из ранних статей о правиле октета . [100] Периодичность степеней окисления была одним из доказательств, которые побудили Ленгмюра принять это правило.
Степень окисления в названии соединений переходных металлов , лантаноидов и актинидов указывается либо как правый верхний индекс после символа элемента в химической формуле, например, Fe III, либо в скобках после названия элемента в химических названиях, например, железо(III). Например, Fe
2(ТАК
4)
3называется сульфат железа (III) и его формула может быть представлена как FeIII
2(ТАК
4)
3. Это происходит потому, что ион сульфата имеет заряд −2, поэтому каждый атом железа принимает заряд +3.
Окисление само по себе было впервые изучено Антуаном Лавуазье , который определил его как результат реакций с кислородом (отсюда и название). [101] [102] С тех пор этот термин был обобщен, чтобы подразумевать формальную потерю электронов. Состояния окисления, названные Фридрихом Вёлером в 1835 году степенями окисления , [103] были одним из интеллектуальных трамплинов, которые Дмитрий Менделеев использовал для вывода периодической таблицы . [104] Уильям Б. Йенсен [105] дает обзор истории до 1938 года.
Когда стало понятно, что некоторые металлы образуют два разных бинарных соединения с одним и тем же неметаллом, эти два соединения часто различали, используя окончание -ic для более высокой степени окисления металла и окончание -ous для более низкой. Например, FeCl 3 — это хлорид железа , а FeCl 2 — хлорид железа . Эта система не очень удовлетворительна (хотя иногда ее все еще используют), потому что разные металлы имеют разные степени окисления, которые нужно выучить: железо и железо имеют +3 и +2 соответственно, а медь и медь — +2 и +1, а олово и олово — +4 и +2. Кроме того, не было никаких допусков для металлов с более чем двумя степенями окисления, таких как ванадий со степенями окисления +2, +3, +4 и +5. [17] : 84
Эта система была в значительной степени заменена системой, предложенной Альфредом Стоком в 1919 году [106] и принятой [107] ИЮПАК в 1940 году. Таким образом, FeCl 2 был записан как хлорид железа (II), а не как хлорид железа. Римская цифра II у центрального атома стала называться « числом Стока » (теперь устаревший термин), и ее значение было получено как заряд у центрального атома после удаления его лигандов вместе с электронными парами, которые они делили с ним. [20] : 147
Термин «окислительное состояние» в английской химической литературе был популяризирован Уэнделлом Митчеллом Латимером в его книге 1938 года об электрохимических потенциалах. [108] Он использовал его для значения (синонимичного немецкому термину Wertigkeit ), ранее называемого «валентностью», «полярной валентностью» или «полярным числом» [109] на английском языке, или «стадией окисления» или действительно [110] [111] «состоянием окисления». С 1938 года термин «окислительное состояние» был связан с электрохимическими потенциалами и электронами, обмениваемыми в окислительно-восстановительных парах, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. К 1948 году ИЮПАК использовал правила номенклатуры 1940 года с термином «окислительное состояние», [112] [113] вместо исходного [107] валентности . В 1948 году Лайнус Полинг предположил, что степень окисления может быть определена путем экстраполяции связей к полностью ионным в направлении электроотрицательности . [114] Полное принятие этого предложения было осложнено тем фактом, что электроотрицательности Полинга как таковые зависят от степени окисления и что они могут приводить к необычным значениям степеней окисления для некоторых переходных металлов. В 1990 году ИЮПАК прибегнул к постулатному (основанному на правилах) методу для определения степени окисления. [115] Это было дополнено синонимичным термином степень окисления как потомок числа Стокса, введенного в номенклатуру в 1940 году. Однако терминология с использованием « лигандов » [20] : 147 создавала впечатление, что степень окисления может быть чем-то специфичным для координационных комплексов . Эта ситуация и отсутствие реального единого определения породили многочисленные дебаты о значении степени окисления, предложениях о методах ее получения и ее определениях. Для решения этой проблемы в 2008 году был начат проект ИЮПАК (2008-040-1-200) по «Комплексному определению степени окисления», который был завершен двумя отчетами [7] [6] и пересмотренными записями «Степень окисления» [8] и «Число окисления» [9] в Золотой книге ИЮПАК . Результатом стало единое определение степени окисления и два алгоритма для ее расчета в молекулярных и протяженных твердых соединениях, руководствуясь электроотрицательностью Аллена , которая не зависит от степени окисления.