Условие задачи
Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов, в соединениях CH4, CH3OH, HCOOH, CO2.
Решение
Ниже дан разбор задачи средствами классической неорганической химии.
─────────────────────────────
1. Определение степени окисления
Степенью окисления атома называют условный заряд, который получил бы атом в молекуле, если все связи считать ионными, а общие валентные электроны полностью передать более электроотрицательным атомам. То есть это формальный заряд, позволяющий распределить всю молекулу по ионам и уравновесить сумму степеней окисления.
─────────────────────────────
2. Расчёт степеней окисления атома углерода в заданных соединениях
При определении степени окисления пользуются следующими общими правилами:
• для водорода принято значение +1 (за исключением гидридов металлов),
• для кислорода принято значение −2 (за исключением, например, перекисей),
• электроны каждой связи условно полностью принадлежат более электроотрицательному атому.
При сравнении электростатической силы атомов ориентируемся по шкале Паулинга. Для атомов основных элементов примерно:
водород ≈ 2,20; углерод ≈ 2,55; кислород ≈ 3,44.
Ниже разберём каждое соединение:
─────────────────────────────
А) CH₄ (метан)
Углерод связался с четырьмя атомами водорода. В связи C–H электроположительный атом – водород – уступает электроны более электроотрицательному углероду. То есть в каждой связи условно весь пар электронов приходится на углерод, что соответствует начислению на него –1 за каждую связь.
Рассчитываем:
Общая степень окисления углерода = 4 × (–1) = –4.
─────────────────────────────
Б) CH₃OH (метанол)
Структурно можно представить как группу CH₃, связанную с группой OH. Анализ проводим по отдельным связям углерода:
1. Три связи C–H. В каждой из них электроны принадлежат углероду, что даёт по –1 за связь:
Общий вклад за связи с водородом = 3 × (–1) = –3.
2. Одна связь C–O. Поскольку кислород (3,44) более электроотрицателен, чем углерод (2,55), электронная пара в этой связи переходит к кислороду, то есть для углерода связь считается «утраченной»: вклад +1.
Таким образом, степень окисления углерода = (–3) + (+1) = –2.
─────────────────────────────
В) HCOOH (муравьиная кислота, структура: O=C–OH)
В этой молекуле углерод связан с:
1. Атомом водорода (связь C–H), где углерод получает электроны, вклад –1.
2. Аксигеном, образующим двойную связь C=O. В двойной связи оба связи принято рассматривать по отдельности, то есть углерод «теряет» по 1 за каждую связь, вклад +2.
3. Группой –OH, где связь C–O также даёт вклад +1 для углерода (электроны переходят к кислороду).
Суммируем:
Степень окисления углерода = (–1) + (+2) + (+1) = +2.
─────────────────────────────
Г) CO₂ (углекислый газ)
Углерод здесь образует две двойные связи с кислородом (структура: O=C=O). Каждая двойная связь (количество связей – две) даёт вклад +2 для углерода, так как все пары электронов условно принадлежат кислороду.
Сумма:
Степень окисления углерода = 2 × (+2) = +4.
─────────────────────────────
3. Определение валентности, обусловленной числом неспаренных электронов
Под валентностью, обусловленной числом неспаренных электронов, понимают максимальное число связей, которое атом может образовать за счёт имеющихся в нём неспаренных валентных электронов (после возбуждения электронов до состояния с максимально возможным числом одиночных электронов). Для углерода в основном принято значение 4, поскольку:
– В основном состоянии углерод имеет конфигурацию 2s² 2p², где спиновая компенсация приводит к наличию лишь двух неспаренных электронов;
– Однако при участии в образовании химических связей происходит энергетическое возбуждение, при котором один из 2s-электронов переходит в 2p-орбиталь и далее происходит их гибридизация (например, sp³ в CH₄ или CH₃OH), что приводит к четырёх неспаренным гибридным орбиталям.
Таким образом, несмотря на различие в степени окисления углерода в данных соединениях, его валентность (количество неспаренных электронов, обеспечивающих образование связей) остаётся равной 4 во всех рассмотренных случаях.
─────────────────────────────
Вывод:
• Степень окисления углерода:
– в CH₄: –4,
– в CH₃OH: –2,
– в HCOOH: +2,
– в CO₂: +4.
• Валентность углерода, определяемая числом неспаренных электронов (способность образовывать связи), равна 4 во всех перечисленных соединениях.
Это решение выполняется в рамках понятия о распределении электронов согласно их электроотрицательностям (правила расчёта степеней окисления) и стандартной теории химической связи, согласно которой углерод при образовании связей приобретает состояние с четырьмя неспаренными электронами.