Степени окисления: как расставлять их в любой формуле и не путать с валентностью

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный так, будто все связи в нём ионные. Чтобы правильно расставлять степени окисления, хватает нескольких правил: фтор в соединениях всегда −1, кислород почти всегда −2, водород почти всегда +1, металлы IA и IIA групп — +1 и +2, а сумма всех степеней окисления в формуле равна нулю. Дальше — алгоритм, разбор от простых формул до KMnO₄ и первое знакомство с окислителями и восстановителями.

Что такое степень окисления и зачем она нужна

Слово «условный» здесь главное. В хлориде натрия связь действительно ионная, и степень окисления совпадает с реальным зарядом иона. А в молекуле HCl связь ковалентная полярная: электронная пара лишь смещена к хлору, полного переноса заряда нет. Но мы договариваемся считать, будто хлор забрал электрон целиком, — и получаем водород +1 и хлор −1.

Зачем такая условность? Три причины:

• по изменению степеней окисления определяют окислительно-восстановительные реакции — вторая половина всей химии 9 класса;
• степень окисления входит в названия веществ: оксид железа(III), оксид меди(II);
• задания на степени окисления и ОВР есть и в ОГЭ, и в ЕГЭ.

Правила: у каких элементов степень окисления постоянная

Сначала — жёсткая база, которая покрывает большинство формул:

Кто	Степень окисления	Исключения
Простые вещества (O₂, N₂, Fe, Cu)	0	нет
Фтор F	−1	нет
Кислород O	−2	пероксиды: −1 (H₂O₂); фторид кислорода OF₂: +2
Водород H	+1	гидриды металлов: −1 (NaH, CaH₂)
Металлы IA группы (Li, Na, K)	+1	нет
Металлы IIA группы (Mg, Ca, Ba) и цинк	+2	нет
Алюминий Al	+3	нет

И два правила-замка, на которых держится весь расчёт:

• сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном соединении равна нулю;
• в сложном ионе — равна заряду иона (в SO₄²⁻ сумма равна −2).

Как расставлять степени окисления: алгоритм с примерами

1. Подпиши степени окисления элементов с постоянными значениями.
2. Неизвестную обозначь за x.
3. Составь уравнение: сумма степеней окисления с учётом индексов равна нулю.
4. Реши и проверь.

H₂SO₄. Водород +1, кислород −2. Уравнение: (+1)·2 + x + (−2)·4 = 0, отсюда x = +6. Сера в серной кислоте: +6. Кстати, о том, где эта кислота работает в промышленности, — в статье про серную кислоту.

KMnO₄. Калий +1, кислород −2. Уравнение: +1 + x + (−2)·4 = 0, отсюда x = +7. У марганца в перманганате калия степень окисления +7 — хотя «в клеточке» таблицы Менделеева такой цифры не видно.

K₂Cr₂O₇. Калий +1, кислород −2: (+1)·2 + 2x + (−2)·7 = 0, значит 2x = +12 и x = +6. Обрати внимание: x здесь умножается на два, ведь атомов хрома в формуле два.

NH₃. Водород +1: x + (+1)·3 = 0, азот −3.

NH₄NO₃. Ловушка: азота два, и степени окисления у них разные. Разбей соль на ионы. В катионе NH₄⁺: x + 4 = +1, азот −3. В анионе NO₃⁻: x + (−2)·3 = −1, азот +5. Одна формула — азот и −3, и +5.

🖼️ КАРТИНКА: разбор формулы KMnO₄ крупным планом: над K подписано «+1», над O — «−2», над Mn — знак вопроса, рядом уравнение «+1 + x − 8 = 0 → x = +7» с выделенным ответом — подпись: Алгоритм в действии: неизвестная степень окисления находится из уравнения

Чем степень окисления отличается от валентности

Эти два понятия путают чаще всего, поэтому разбор валентности стоит перечитать до того, как пойдёшь дальше.

• Валентность — число химических связей атома. Знака у неё нет.
• Степень окисления — условный заряд. У неё есть знак, и она бывает нулевой.

Три контрольных примера:

• В молекуле N₂ валентность азота III (тройная связь), а степень окисления 0 — молекула из одинаковых атомов, электроны никуда не смещены.
• В пероксиде водорода H₂O₂ валентность кислорода II, а степень окисления −1.
• В CH₄ и CO₂ валентность углерода IV в обоих случаях, а степени окисления — −4 и +4.

Ещё одна тонкость — оформление. У степени окисления знак пишут перед числом (+2, −3), у заряда иона — после (2+, 3−). На экзамене за перепутанную запись снимают баллы.

Окислитель и восстановитель: первое знакомство с ОВР

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — реакции, в которых степени окисления элементов меняются. Сравни с реакциями ионного обмена, где они не меняются никогда, — теперь ты можешь проверить это сам.

Правила игры:

• Восстановитель отдаёт электроны. Сам при этом окисляется, его степень окисления повышается.
• Окислитель принимает электроны. Сам восстанавливается, его степень окисления понижается.

Мнемоника: «отдал — окислился». Оба слова на «о».

Классический пример — цинк в растворе сульфата меди:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Цинк был простым веществом (0), стал ионом +2: Zn⁰ − 2ē → Zn²⁺ — отдал электроны, окислился, он восстановитель. Медь была +2, стала 0: Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰ — приняла электроны, восстановилась, ион меди — окислитель. Внешне это выглядит эффектно: серый цинк покрывается рыжим налётом меди, а голубой раствор бледнеет.

🖼️ КАРТИНКА: схема передачи электронов в реакции Zn + CuSO₄: слева серая пластинка цинка со стрелкой «−2ē» от неё, справа шарик Cu²⁺ со стрелкой «+2ē» к нему; под цинком подпись «восстановитель, окисляется: 0 → +2», под медью «окислитель, восстанавливается: +2 → 0» — подпись: Восстановитель отдаёт электроны, окислитель принимает — степени окисления меняются навстречу друг другу

ОВР вокруг нас повсюду: ржавчина на гвозде, горение спички, батарейка в пульте — везде идёт передача электронов. А самый наглядный способ увидеть ОВР в действии — электролиз, когда реакцию запускает электрический ток: пузырьки газа и налёт металла прямо на электродах. Дома такое возможно только в безопасном формате: «Электрохимичка» — единственный в РФ детский набор с настоящим электролизом. Как устроен сам процесс — в статье про электролиз.

Частые ошибки

• Путают степень окисления с валентностью. Проверь себя на H₂O₂ и N₂: там значения расходятся.
• Забывают исключения. В NaH водород −1, в H₂O₂ кислород −1. Эти два случая любят и составители контрольных, и ФИПИ.
• Не учитывают индексы. В K₂Cr₂O₇ сумму даёт не «x», а «2x». Уравнение — с учётом числа атомов.
• Ставят простому веществу не ноль. В O₂, Fe, Cu степень окисления всегда 0, какой бы «активной» ни казалась формула.
• В сложном ионе приравнивают сумму к нулю. В SO₄²⁻ сумма равна −2, а не нулю.
• Путают запись. Степень окисления: +2 (знак впереди). Заряд иона: 2+ (знак после числа).

Частые вопросы

С чего начинать расставлять степени окисления?

С элементов, у которых значение постоянное: фтор −1, кислород −2, водород +1, металлы IA и IIA групп. Оставшийся элемент находится из уравнения «сумма равна нулю».

Чему равна степень окисления простого вещества?

Всегда нулю: в O₂, N₂, Fe, Cu электроны ни к кому не смещены.

Когда у кислорода степень окисления не −2?

В пероксидах (H₂O₂, Na₂O₂) она −1, а в соединении с фтором OF₂ равна +2, потому что фтор электроотрицательнее кислорода.

Чем степень окисления отличается от валентности?

Валентность — число связей, без знака. Степень окисления — условный заряд со знаком, может быть нулевой. В N₂ валентность III, а степень окисления 0.

Кто такой окислитель?

Частица, которая принимает электроны и понижает свою степень окисления. Её партнёр-восстановитель электроны отдаёт и окисляется.

Что дальше

Степени окисления расставлены — значит, ты готов к окислительно-восстановительным реакциям в свойствах конкретных веществ. Следующая тема — свойства кислот и оснований: там встретятся и обменные реакции, и ОВР. Полная карта года — в гиде по химии 9 класса.

А если хочется не читать про передачу электронов, а увидеть её: в «Электрохимичке» электролиз и опыты с металлами идут вживую — реакция, которую видел своими глазами, на экзамене вспоминается сама.

🎁 ЛИД-МАГНИТ: PDF «Все правила степеней окисления + 25 формул для тренировки с ответами» — подпишись на @ximi4kapublic и забери.