Условие задачи
Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Cl2, CO2, C2H4, C2H6
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи из неорганической химии (теория окислительно-восстановительных реакций, понятия валентности и степени окисления).
Мы должны для каждого вещества определить два показателя для его атомов:
1. Валентность – число связей (или число электронных пар, которыми атом компенсирует свою внешнюю орбиту) в конкретном соединении.
2. Степень окисления (СО) – условный заряд атома при условном распределении электронных пар по наибольшей электроотрицательности.
Разберём каждое вещество по отдельности.
──────────────────────────────
1. Вещество: Cl₂
Молекула состоит из двух атомов хлора, связанных одинарной ковалентной связью.
• Степень окисления:
Поскольку А) вещество элементарное (элементарная форма вещества) и Б) атомы связаны между собой одинаковыми атомами, каждому атому присваивается СО = 0.
• Валентность:
В молекуле Cl₂ каждый атом участвует в одной ковалентной связи (образует одну связь), поэтому можно сказать, что для данного случая «валентность» равна единице.
──────────────────────────────
2. Вещество: CO₂
Молекула углекислого газа имеет линейную структуру, где атом углерода связан с каждым атомом кислорода двойной связью.
• Степень окисления:
Для кислорода привычное значение СО = –2 (за исключением некоторых特殊ных случаев). Так как в молекуле два атома кислорода, суммарный заряд кислорода –2 × 2 = –4. Чтобы сумма степеней окисления давала 0 (нейтральное соединение), углерод должен иметь СО = +4.
Таким образом, СО атома С = +4, а каждого атома O = –2.
• Валентность:
– Углерод в CO₂ использует четыре электрона для образования двух двойных связей (каждая двойная связь условно может рассматриваться как 2 связевых пары, однако с точки зрения классической валентности атом С считается тетравалентным, то есть его валентность равна 4).
– Кислород в соединениях обычно двувалентен (образует по две связи, как в случае с двойной связью с углеродом, где одна пара – σ-связь, а другая – π-связь, но валентность остаётся равной двум).
──────────────────────────────
3. Вещество: C₂H₄ (этилен)
Структура этилена (C₂H₄) такова, что два атома углерода соединены двойной связью, а каждый атом углерода дополнительно связан с двумя атомами водорода одинарными связями.
• Степень окисления:
Правило определения: для каждого атома водорода принимается значение +1.
Обозначим СО каждого атома углерода как x. Тогда для двух атомов С и четырёх водородов должно выполняться:
2·x + 4·(+1) = 0 → 2·x + 4 = 0 → 2·x = –4 → x = –2.
Таким образом, СО каждого атома С = –2, а каждого водорода H = +1.
Важно: В связи с тем, что между атомами углерода связь между идентичными элементами считается распределённой поровну, они оба получают одинаковое значение СО.
• Валентность:
– Углерод, как правило, тетравалентен (образует 4 связи). В этилене каждый атом С образует три σ-связи (две с H и одну с другим С) и одну π-связь (составляющую двойную связь с другим С). С точки зрения классической валентности, атом С остаётся тетравалентным, то есть валентность равна 4.
– Водород – одновалентен (образует одну связь).
──────────────────────────────
4. Вещество: C₂H₆ (этан)
Этан состоит из двух атомов углерода, связанных одинарной связью, и каждого атома С дополнительно связано с тремя атомами водорода.
• Степень окисления:
Для водорода стандартно СО = +1.
Обозначим СО одного атома С за x. Тогда в молекуле:
2·x + 6·(+1) = 0 → 2·x + 6 = 0 → 2·x = –6 → x = –3.
Таким образом, СО каждого атома С = –3, а каждого водорода H = +1.
Заметим, что связь между атомами углерода не влияет на распределение степеней окисления, так как она считается недиспропорционной (электроны делятся поровну).
• Валентность:
– Углерод остаётся тетравалентным – у него 4 связи. Здесь каждый атом С связан с тремя H (по одной связи с каждым) и с одним другим С.
– Водород – одновалентен.
──────────────────────────────
Вывод:
1. Cl₂:
• Каждый атом Cl: валентность = 1 (участвует в одной связи), степень окисления = 0.
2. CO₂:
• Атом С: валентность = 4, степень окисления = +4.
• Каждый атом O: валентность = 2, степень окисления = –2.
3. C₂H₄ (этилен):
• Каждый атом С: валентность = 4, степень окисления = –2.
• Каждый атом H: валентность = 1, степень окисления = +1.
4. C₂H₆ (этан):
• Каждый атом С: валентность = 4, степень окисления = –3.
• Каждый атом H: валентность = 1, степень окисления = +1.
──────────────────────────────
Таким образом, использовав правила для определения степеней окисления (нейтральность молекулы, типичные значения СО для водорода и кислорода) и понятие валентности, получили окончательные результаты для каждой из данных молекул.