Валентность и степень окисления со2: определить валентность и степень окисления углерода в соединениях(CO2,C2H6,HCOOH,CH3OH.)

Содержание

Урок №66. Валентность и степень окисления. Правила определения степеней окисления элементов

I. Валентность

Валентность химических элементов (повторение)

II. Степень окисления (новый
материал)

Степень
окисления
– это
условный заряд, который получает атом в результате полной отдачи
(принятия) электронов, исходя из условия, что все связи в соединении ионные.

Рассмотрим строение атомов фтора и натрия:

F +9 )2)7 

Na +11 )2)8)1

— Что можно сказать о завершённости внешнего уровня атомов фтора и натрия?

— Какому атому легче принять, а какому легче отдать валентные электроны с
целью завершения внешнего уровня?

— Оба атома
имеют незавершённый внешний уровень?

— Атому
натрия легче отдавать электроны, фтору – принять электроны до завершения
внешнего уровня.

F0 + 1ē → F-1 (нейтральный атом принимает один отрицательный электрон и приобретает
степень окисления «-1», превращаясь в отрицательно заряженный ион — анион)

Na0 – 1ē → Na+1 (нейтральный атом отдаёт один отрицательный электрон и приобретает степень
окисления «+1», превращаясь в положительно заряженный ион — катион)

 

Процесс
отдачи
электронов атомом, называется окислением.

Атом,
отдающий электроны
и повышающий свою степень окисления, окисляется и
называется восстановителем.

Процесс
принятия
электронов атомом, называется восстановлением.

Атом,
принимающий электроны
и понижающий свою степень окисления,
восстанавливается и называется окислителем.

Как
определить степень окисления атома в ПСХЭ Д.И. Менделеева?

№1. Степень
окисления свободных атомов и атомов в молекулах простых
веществ
 равна нулю —  Na0, P40, O20

№2. В сложном
веществе
 алгебраическая сумма СО всех атомов с учётом их индексов
равна нулю = 0,

а в сложном
ионе
 его заряду.  

Например,     H+1N+5O3-2 :      (+1)*1+(+5)*1+(-2)*3 = 0

[S+6O-2]2-:    (+6)*1+(-2)*4 = -2

№3. Для элементов главных
подгрупп
в бинарных соединениях
А+nхВmу:

Высшая СО (+n)
= номеру группы Nгруппы

Низшая СО (-m)
Nгруппы–8

4. Водород обычно проявляет
степень окисления (СО) +1  

(исключение,
соединения с металлами (гидриды) – у водорода СО равна (-1) Me+nHn-1)

5. Кислород обычно проявляет
СО -2 

(исключения: О+2F2, H2O2-1 –
перекись водорода)

6. Фтор проявляет всегда СО
равную -1 (F-1)

7.
Металлы главных подгрупп
IIII групп проявляют +n=Nгруппы

8.
Металлы главных подгрупп групп
IVVII и металлы побочных
подгрупп
проявляют
+n, согласно правилу №2 (с учётом рядом стоящего аниона
– см. ТР)

Задание 1 – определите
степени окисления всех атомов в формуле серной кислоты H2SO4?

1.
Проставим известные степени окисления у водорода и кислорода, а СО  серы примем за «х»

H+1SxO4-2

2.
Составим и решим уравнение, согласно правилу (II):

(+1)*1+(х)*1+(-2)*4=0

Х=6
или (+6), следовательно, у серы CО  +6, т.е.  
S+6

Задание 2 – определите
степени окисления всех атомов в формуле фосфорной кислоты H3PO4?

1.
Проставим известные степени окисления у водорода и кислорода, а СО  фосфора  примем за «х»

H3+1PxO4-2

2.
Составим и решим уравнение, согласно правилу (II):

(+1)*3+(х)*1+(-2)*4=0

Х=5
или (+5), следовательно, у фосфора CО  +5, т.е.  
P+5

Задание 3– определите
степени окисления всех атомов в формуле иона аммония (NH4)+?

1.
Проставим известную степень окисления у водорода, а СО  азота  примем
за «х»

(NхH4+1)+

2.
Составим и решим уравнение, согласно правилу (II):

(х)*1+(+1)*4=+1

Х=-3,
следовательно, у азота CО  -3, т.е.  
N-3

Алгоритм составления формулы по степени окисления

Составление названий бинарных соединений

Сравним понятия «валентность» и «степень окисления»:

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

Определите степени окисления атомов в формулах веществ:

Br2, CaO , SiO2, H2CO3 , CuO , Cu2O , Н2, KNO3 , FeO , Fe , Fe2O3, Fe(OH)2, Fe2(SO4)3, N2, HClO4

Что такое валентность и как составлять формулы?

Атомы одних и тех же химических элементов в разных соединениях присоединяют разное количество других атомов. Например, в воде атом кислорода присоединяет два атома водорода (H2O), а в оксиде меди — только один атом меди (CuO). При этом молекула углекислого газа содержи два атома кислорода и один углерода (CO2).

Атомы, составляющие молекулы, соединяются между собой с помощью химических связей. Атомы разных химических элементов могут образовывать только характерное для них количество химических связей. Например, водород может образовывать только одну связь, а кислород — две. Поэтому в молекуле воды каждый атом водорода связан с кислородом одной связью, таким образом у кислорода «задействованы» все две связи. Атом меди может образовывать две связи, как и кислород. В результате в оксиде меди между атомом меди и атомом кислорода устанавливается двойная связь. В углекислом газе углерод образует четыре связи, а кислород только две. Поэтому требуется два атома кислорода, чтобы соединиться ч четырьмя связями углерода.

В химии используются так называемые структурные формулы. В них отражается число атомов в молекуле и химические связи между атомами. Например, молекулу воды можно изобразить так: H—O—H. Здесь видно, что у кислорода две связи, а у каждого атома водорода только одна. Кроме того, видно, что атомы водорода соединены с кислородом, но не друг с другом. Структурную формулу оксида меди можно изобразить так: Cu=O (двойная связь между атомами). Структурная формула углекислого газа: O=C=O.

Если знать валентность одного атома в молекуле и формулу молекулы, то можно определить валентность другого атома. Например, Fe2O3. Здесь кислород двухвалентен, следовательно, три атома кислорода образуют шесть связей. В формулу входит всего два атома железа. Если учесть, что они не соединяются между собой, то все их связи должны соединиться с шестью связями кислорода. Так как атомов железа всего два, то тогда валентность железа будет равна как 6/2 = 3. Валентность принято обозначать римскими цифрами. Таким образом, валентность железа в оксиде Fe2O3 равна III.

Произведение числа атомов одного элемента на его валентность равно произведению числа атомов второго элемента на его валентность.

Валентность одних химических элементов всегда постоянна. К таким элементам относятся кислород (II), водород (I), натрий (I), кальций (II), алюминий (III) и многие другие элементы.
Однако существует немало химических элементов, чьи атомы проявляют переменную валентность. К таким элементам относится углерод. В углекислом газе он проявляет валентность равную четырем, однако существует также оксид углерода (II) — CO. Сера может быть двух-, четырех- и шестивалентной. Фосфор — трех- и пятивалентным.

Степень — окисление — углерод

Степень — окисление — углерод

Cтраница 2

Следует, однако, обратить внимание, что в рассмотренных выше реакциях меняется степень окисления углерода 4 в муравьиной кислоте и в ее соли и 2 — в оксиде углерода ( II) и эти реакции являются фактически окислительно-восстановительными.
 [16]

В органических соединениях — метане СН4, метиловом спирте СНзОН, формальдегиде СН2О, муравьиной кислоте НСООН, а также в диоксиде углерода степени окисления углерода соответственно равны — 4, — 2, 0, 2, 4, тогда как валентность углерода во всех указанных веществах равна четырем.
 [17]

В органических соединениях — метане СН), метиловом спирте СНзОН, формальдегиде СН2О, муравьиной кислоте НСООН, а также в диоксиде углерода степени окисления углерода соответственно равны — 4, — 2, 2, 4, тогда как валентность углерода во всех указанных веществах равна четырем.
 [18]

Следует обратить внимание на то, что, несмотря на существование реакции ( 1), окись углерода нельзя считать ангидридом муравьиной кислоты, потому что в результате взаимодействия меняется степень окисления углерода: ( 4) в муравьиной кислоте и ( 2) в окиси углерода.
 [19]

В большинстве органических соединений полярность связи между атомами выражена слабо, но окислительные числа атомов в них определяются так же, как и в неорганических соединениях с нолярной связью; в углеводородах, как соединениях с неполярной связью, степени окисления углерода и водорода, очевидно, равны нулю.
 [20]

Способность отдавать электроны растет сверху вниз, а способность принимать электроны — снизу вверх по группе Характерные проявляемые валентности — 2 и 4, степени окисления — — 4, 2, 4 Для углерода наиболее часто встречаются соединения с валентностью 4, для свинца — соединения со степенью окисления 2 Простейшие газообразные водородные соединения имеют формулу ЭНф их прочность падает от углерода к свинцу степень окисления углерода в СН4 — 4, в РЬН4 — 4 Формулы высших оксидов Э02, их свойства изменяются от кислотных ( СО2, SiO2) до амфотсрных ( SnO2, PbO2) Оксид углерода ( Ш СО является безразличным ( несолс-образующим) оксидом, оксиды олова ( II) и свинца ( II) — основными с проявлением некоторых амфотсрных свойств. Сила кислородсодержащих кислот типа Н2ЭО3 уменьшается сверху вниз по группе.
 [21]

Карбидами называются соединения элементов с углеродом, в которых последний играет роль электроотрицательного элемента. Степень окисления углерода в карбидах может быть различной. Однако такие карбиды известны лишь у немногих сравнительно активных легких металлов.
 [22]

Углерод непосредственно соединяется со многими металлами, образуя карбиды — соединения — в которых углерод электроотрицателен. Степень окисления углерода в карбидах различна. Различны и химические свойства карбидов.
 [23]

Карбидами называют соединения элементов с углеродом, в которых последний играет роль электроотрицательного элемента. Степень окисления углерода в карбидах может быть различной. Однако такие карбиды известны лишь у немногих сравнительно активных легких металлов, а именно у бериллия и алюминия. Они представляют собой кристаллические вещества, по виду напоминающие обычные соли.
 [24]

Атомы одного и того же элемента в различных соединениях могут иметь разные значения степени окисления. Степени окисления углерода в молекулах СЩ, СН3ОН, СН2О, НСООН, СО2 соответственно равны — 4, — 2, О, 2, 4, тогда как валентность углерода во всех этих соединениях равна четырем. Степень окисления азота в молекулах N2 и Nh4 0 и — 3 соответственно, тогда как валентность его в обоих соединениях равна трем. Из этих примеров становится ясным формальный характер понятия степень окисления. Однако это понятие удобно применять при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.
 [25]

Разложению С02 способствуют ультрафиолетовое излучение и электрический разряд. Степень окисления углерода в С02 максимальная ( 4), а потому диоксид не может быть восстановителем, не горит и не поддерживает горения обычного топлива. Но в его атмосфере горят простые вещества, атомы которых обладают большим сродством к кислороду, чем углерод.
 [26]

Разложению СО2 способствуют ультрафиолетовое излучение и электрический разряд. Степень окисления углерода в СО2 максимальная ( 4), а потому диоксид не может быть восстановителем, не горит и не поддерживает горения обычного топлива. Но в его атмосфере горят простые вещества, атомы которых обладают большим сродством к кислороду, чем углерод.
 [27]

При разложении других органических веществ это соотношение может меняться. Если степень окисления углерода в исходном соединении выше, чем в глюкозе, образуется больше углекислого газа, если же степень окисления углерода отрицательна, образуется больше метана.
 [28]

В органической химии, как правило, степенями окисления углерода не оперируют, но если необходимо, то их оценивают по тем же правилам. При этом степень окисления углерода находят для каждого атома отдельно.
 [29]

Чему равна степень окисления углерода в этих соединениях.
 [30]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4




Как решить состояние окисления Ch5 — Наука и Техника — Каталог статей

Концепция окисления в химии несколько запутана, главным образом потому, что она предшествует пониманию структуры атома и того, как происходят химические реакции. Термин возник, когда химики анализировали реакции с участием кислорода, который был первым известным окислителем.

Для современных химиков, знакомых с обменом электронами в реакциях, окисление относится к потере электронов и сокращению до выигрыша электронов. Современное определение относится к реакциям, в которых участвует кислород, а также к реакциям, в которых нет, таких как производство метана (Ch5) из углерода и водорода. Когда вы добавляете кислород к метану для производства углекислого газа и воды, это тоже окисление. Атом углерода теряет электроны, и его состояние окисления изменяется, в то время как атомы кислорода приобретают электроны и восстанавливаются. Это известно как окислительно-восстановительная реакция.

Степень окисления углерода в метане

Из-за четырех валентных электронов углерод может существовать в различных степенях окисления, в диапазоне от +4 до -4. Вот почему он образует так много соединений, больше, чем любой другой элемент. Чтобы определить его состояние в конкретном соединении, вы обычно должны смотреть на связи, которые он образует с другими элементами в соединении.

Водород имеет только один валентный электрон, и поскольку этот электрон находится в своей первой оболочке, ему нужен только один электрон для заполнения оболочки. Это делает его электронным аттрактором со степенью окисления +1. Водород также может терять электрон и существовать в состоянии окисления -1, когда он объединяется с металлами группы 1 с образованием гидридов металлов, таких как NaH и LiH, но в большинстве случаев, например, когда он соединяется с углеродом, он всегда находится в + 1 степень окисления.

Чтобы вычислить степень окисления углерода в молекуле метана, вы рассматриваете каждую углерод-водородную связь, как если бы она была ионной. Молекула не имеет чистого заряда, поэтому сумма всех углерод-водородных связей должна быть равна 0. Это означает, что атом углерода отдает четыре электрона, что делает его состояние окисления -4.

Состояние окисления углерода изменяется при сжигании метана

Когда вы объединяете метан с кислородом, продукты — это углекислый газ, вода и энергия в форме тепла и света. Сбалансированное уравнение для этой реакции

Ch5 + 2 O2 -> CO2 + 2 h3O + энергия

Углерод претерпевает резкое изменение степени окисления в этой реакции. В то время как его степень окисления в метане составляет -4, в углекислом газе — +4. Это потому, что кислород является акцептором электронов, который всегда имеет степень окисления -2, и на каждый атом углерода в СО2 приходится два атома кислорода. Степень окисления водорода, с другой стороны, остается неизменной.

Проверочная работа по теме: «Степень окисления».


Проверочная работа по теме: «Степень окисления»


 


 


Вариант 1


1. Определите  степени окисления элементов в веществах: НCI, Cu2O, Na2S, N2O5, AI4C3, MgBr2 


2. Составьте формулы бинарных соединений между элементами: AI+3S-2; C+4CI-1;


 Na+1N-3; P+3O-2; Mg+2O-2;


 


 


 


 


 


Вариант 2


1. Определите  степени окисления элементов в веществах:  MgS; AIF3;  FeO;СО2; Li2O; FeCI3


2. Составьте формулы бинарных соединений между элементами: Ca+2F-1; P+3S-2;


 Na+1P-3; S+4O-2; Ba+2O-2;


 


 


 


 


 


Вариант  3


1. Определите  степени окисления элементов в веществах:   H2S; BaO;Fe2O3;Na2O; CuCI2; CaS.


2. Составьте формулы бинарных соединений между элементами: C+4H-1; AI+3O-2;


 H+1Br-1; Si+4O-2; CI+7O-2;


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 

19,1. {+ 2} _ {(aq)} \ tag {16.1.1} \]

В органической химии окислительно-восстановительные реакции выглядят немного иначе. Электроны в органической окислительно-восстановительной реакции часто передаются в виде иона гидрида — протона и двух электронов. Поскольку они происходят в сочетании с переносом протона, их обычно называют реакциями гидрирования, и дегидрирования, : гидрид плюс протон складывается в молекулу водорода (H 2 ). Будьте осторожны — не путайте термины hyd rogen и dehy drogen ation с гидратацией и дегидратацией — последние относятся к увеличению и уменьшению молекулы воды, (и являются , а не окислительно-восстановительными реакциями ). ), в то время как первые относятся к усилению и потере молекулы водорода .

Когда атом углерода в органическом соединении теряет связь с водородом и приобретает новую связь с гетероатомом (или другим углеродом), мы говорим, что соединение дегидрировано или окислено. Очень распространенный биохимический пример — окисление спирта до кетона или альдегида:

Когда атом углерода теряет связь с водородом и приобретает связь с гетероатомом (или другим атомом углерода), это считается окислительным процессом, потому что водород из всех элементов является наименее электроотрицательным.Таким образом, в процессе дегидрирования атом углерода претерпевает общую потерю электронной плотности, и потеря электронов является окислением.

И наоборот, когда атом углерода в органическом соединении получает связь с водородом и теряет связь с гетероатомом (или другим атомом углерода), мы говорим, что соединение было гидрогенизировано или восстановлено. Например, гидрирование кетона до спирта в целом является обратным дегидрированию спирта, показанному выше. Ниже проиллюстрирована другая распространенная возможность — гидрирование (восстановление) алкена до алкана.

Гидрогенизация приводит к увеличению на электронной плотности на атома (а) углерода, и, таким образом, мы считаем процесс восстановлением органической молекулы.

Обратите внимание, что ни гидрирование, ни дегидрирование не связаны с получением или потерей атома кислорода . Реакции, которые с по включают увеличение или уменьшение одного или нескольких атомов кислорода, обычно называют реакциями «оксигеназы» и «редуктазы».

По большей части, говоря о окислительно-восстановительных реакциях в органической химии, мы имеем дело с небольшим набором очень узнаваемых превращений функциональных групп.Поэтому очень полезно ознакомиться с идеей «степеней окисления» применительно к органическим функциональным группам. Сравнивая относительное количество связей с атомами водорода, мы можем упорядочить знакомые функциональные группы в соответствии со степенью окисления. В качестве примера возьмем серию одноуглеродных соединений. Метан с четырьмя связями углерод-водород сильно восстановлен. Следующим в ряду идет метанол (на одну связь углерод-водород меньше, еще на одну связь углерод-кислород), затем формальдегид, формиат и, наконец, диоксид углерода на сильно окисленном конце группы.

Эта закономерность верна для соответствующих функциональных групп органических молекул с двумя или более атомами углерода:

Алканы сильно восстановлены, в то время как спирты, а также алкены, простые эфиры, амины, сульфиды и сложные эфиры фосфорной кислоты находятся на одну ступень выше по шкале окисления, за ними следуют альдегиды / кетоны / имины и эпоксиды и, наконец, производные карбоновых кислот ( диоксид углерода, находящийся в верхней части списка окислений, относится к одноуглеродной серии).

Обратите внимание, что в приведенном выше ряду двухуглеродных соединений этанол и этен считаются находящимися в одной и той же степени окисления.Вы уже знаете, что спирты и алкены взаимно превращаются путем добавления или удаления воды (например, в разделе 10.4.). Когда спирт дегидратируется с образованием алкена, один из двух атомов углерода теряет связь C-H и приобретает связь C-C и, таким образом, окисляется. Однако другой углерод теряет связь C-O и получает связь C-C и, таким образом, считается восстановленным. Таким образом, в целом степень окисления рассматриваемых вместе атомов углерода не меняется.

Вы должны научиться распознавать, когда реакция включает изменение степени окисления углерода в органическом реагенте.Например, глядя на следующее преобразование, вы должны быстро распознать, что это окисление: функциональная группа спирта превращается в кетон, что является одной ступенью по лестнице окисления.

Аналогичным образом, эта следующая реакция включает превращение производного карбоновой кислоты (тиоэфира) сначала в альдегид, затем в спирт: это двойное восстановление , поскольку субстрат теряет две связи с гетероатомами и получает две связи с атомами водорода. .

Реакция переноса ацила (например, превращение ацилфосфата в амид) — это , а не , рассматриваемая как окислительно-восстановительная реакция — степень окисления органической молекулы не изменяется, поскольку субстрат превращается в продукт, потому что связь с одним гетероатомом (кислородом) просто обменяли на связь с другим гетероатомом (азотом).

Важно уметь распознавать, когда органическая молекула окисляется или восстанавливается, потому что эта информация говорит вам искать участие соответствующего окислительно-восстановительного агента, который восстанавливается или окисляется — помните, окисление и восстановление всегда происходят в тандеме ! Вскоре мы подробно узнаем о наиболее важных биохимических и лабораторных окислительно-восстановительных агентах.

состояний окисления органических молекул

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Дополнительная литература
    1. Ссылки
    2. Соавторы

К концу общей химии расчет степеней окисления различных металлов должен быть довольно привычным.Вот что ты делаешь. Возьмем, к примеру, типичное соединение — \ (FeCl_3 \). Относитесь к каждой связи между металлом и другим атомом, как если бы это была ионная связь. Это означает, что более электроотрицательные элементы (например, хлор или кислород) несут отрицательный заряд, а менее электроотрицательный элемент (например, металл) несет положительный заряд.

Если соединение нейтральное, сумма степеней окисления также должна быть нейтральной. (Если соединение имеет заряд, вы соответственно регулируете степени окисления, чтобы их сумма была равна заряду).

А теперь веселое упражнение. Попробуйте применить те же правила к углероду. Это будет немного странно. Почему? Поскольку есть два ключевых различия:

  • Первый , углерод часто более электроотрицателен (2,5), чем некоторые из атомов, с которыми он связан (например, H, 2,2). Так что же делать в этом случае?
  • Во-вторых, в отличие от связей металл-металл, связи углерод-углерод распространены повсеместно. Так как же с ними справиться?

Два ответа.

  1. В связи C-H H рассматривается, как если бы он имел степень окисления +1. Это означает, что каждая связь CH будет уменьшать степень окисления углерода на 1.
  2. Любые две связи между одним и тем же атомом не влияют на степень окисления (напомним, что степень окисления Cl в Cl-Cl (и степень окисления H в HH ) равно 0. Таким образом, углерод, присоединенный к 4 атомам углерода, имеет степень окисления 0.

Таким образом, в отличие от металлов, которые почти всегда находятся в положительной степени окисления, степень окисления углерода может широко варьироваться от -4 (в Ch5 ) до +4 (например, в CO2).Вот несколько примеров.

(Не забывайте, что это неспроста называется «формализмом». На самом деле заряд углерода не равен +4 или –4. Но формализм степени окисления помогает нам отслеживать, где находятся электроны собираются, что очень скоро пригодится).

С пониманием того, как рассчитать степени окисления углерода, мы готовы к следующему шагу: понимание изменяет степени окисления углерода посредством реакций, известных как окисления (где степень окисления увеличивается), и восстановлений (где степень окисления снижена).Подробнее об этом в следующий раз.

Фон

Фон

Предпосылка, лежащая в основе структур Льюиса, — это правило октетов: все атомы хотели бы быть окружены октетом электронов. Конечно, есть некоторые исключения: очень маленькие атомы (H, Be и B) имеют меньше октета, а некоторые атомы основной группы с низкоэнергетическими d-орбиталями (P, S, Cl, Br и I) могут иметь больше октета. чем октет. Это особенно верно, когда эти атомы являются центральными атомами и сочетаются с сильно электроотрицательными атомами.

Рисование правильных структур Льюиса требует практики, но этот процесс можно упростить, выполнив ряд шагов:

Шаг 1. Подсчитайте все валентные электроны для каждого атома. Добавляйте или вычитайте электроны, если структура представляет собой анион или катион, соответственно.

Шаг 2. Определите, какие атомы связаны друг с другом. Нарисуйте скелетную структуру.

Шаг 3. Соедините атомы с парой электронов в каждой связи.Вычтите связывающие электроны из общего количества валентных электронов.

Шаг 4. Добавьте электронные пары в полные октеты для всех периферийных атомов, присоединенных к центральному атому. Остерегайтесь водорода — водород никогда не имеет более одной связи или одной пары электронов

Шаг 5. Поместите оставшиеся электроны на центральный атом, обычно парами. Правило октетов может быть превышено для P, S, Cl, Br или I.

Шаг 6.Если центральный атом не имеет октета, формируйте двойные или тройные связи, перемещая электронные пары от одного или нескольких периферийных атомов для получения октета.

Шаг 7. Найдите резонансные структуры, переставляя связи. Структура с наименьшими общими формальными сборами будет наиболее вероятной формой, которую можно найти в природе. (См. Объяснение ниже)

Рисование структур Льюиса

Давайте посмотрим на примере того, как это работает на реальной молекуле.Рассмотрим молекулу, наиболее ответственную за парниковый эффект, — двуокись углерода (CO2).

Чтобы нарисовать структуру Льюиса:

Шаг 1. Подсчитайте все валентные электроны для каждого атома:

Углерод 1 x 4 валентных электрона = 4 электрона
Кислород 2 x 6 валентных электронов = 12 электронов
Всего = 16 электронов

Шаг 2. Определите, какие атомы связаны друг с другом. Обычно наименее электроотрицательный атом — это центральный атом.Однако, если единственный выбор — между более электроотрицательным атомом и водородом, более электроотрицательный атом будет центральным атомом (например, вода). Водород НИКОГДА не образует более одной связи и поэтому НИКОГДА не может быть центральным атомом.

Для CO2 углерод является менее электроотрицательным атомом, поэтому он должен быть центральным атомом.

Шаг 3. Соедините каждый атом одной парой электронов или одинарной связью: (16 валентных электронов — 4 связывающих электрона = 12 электронов осталось.)

Шаг 4. Добавьте электронные пары к периферийным атомам для октетов:

Шаг 5. Электронов не осталось, но у центрального атома нет октета!

Шаг 6. Переместите электроны от периферийных атомов, образуя двойные связи, чтобы дать центральному атому октет:

Шаг 7. Найдите резонансные структуры и определите ту, которая имеет наименьший формальный заряд:

Для некоторых молекул можно нарисовать более одной структуры.Обратите внимание, что структура Льюиса для диоксида углерода может быть записана с использованием одинарной связи углерод-кислород с одной стороны и тройной связи углерод-кислород с другой. Как можно различить эти две возможности? Как выбрать наиболее важную структуру, или все они одинаково вероятны? Когда можно нарисовать несколько структур, они называются резонансными структурами.

Резонансные структуры

В резонансных структурах все атомы находятся в одном и том же положении относительно друг друга, но распределение электронов вокруг них другое.Чтобы оценить важность каждой структуры, необходимо определить формальный заряд каждого атома.

Официальное обвинение

Формальный заряд — это несколько произвольный способ описания того, сколько электронов, по-видимому, имеет атом в определенном соединении. Предполагается, что электронные пары в связях между атомами разделены поровну между двумя атомами. Несвязывающие электронные пары считаются принадлежащими тому атому, на котором они находятся. Это можно представить в виде уравнения:

или

Наиболее устойчивой резонансной структурой является та, в которой:

1.Есть минимальное количество официальных обвинений;
2. Если есть официальные обвинения, подобные обвинения разделяются; и
3. Отрицательные формальные заряды относятся к более электроотрицательным атомам, а положительные формальные заряды относятся к менее электроотрицательным атомам.

Для структуры CO2 с двумя двойными связями формальные расходы могут быть рассчитаны следующим образом:
Кислород: формальный заряд = 6 — (4 + 1/2 (4)) = 0
Углерод: Формальный заряд = 4 — (0+ 1/2 (8)) = 0

Для структуры CO2 с одинарной и тройной связью:
Кислород (одиночный): формальный заряд = 6 — (6 + 1/2 (2)) = -1
Кислород (тройной): формальный заряд = 6 — (4 + 1/2 (6)) = +1
Углерод: Формальный заряд = 4 — (0+ 1/2 (8)) = 0

Итак, хотя обе структуры работают как структуры Льюиса, та, которая приводит к нулевым формальным зарядам для любого из атомов, более стабильна и, следовательно, с большей вероятностью существует в природе, чем та, которая имеет заряды на двух атомах кислорода.

Число окисления

Формальные заряды необходимо отличать от степеней окисления (которые также можно определить по структурам Льюиса). Число окисления используется, чтобы указать, является ли молекула нейтральной, богатой электронами или бедной электронами. Правила определения степени окисления можно найти в вашем учебнике. Краткое изложение этих правил приведено здесь:

1. Степень окисления элемента в его элементарной форме равна 0 (верно для изолированных атомов и для молекулярных элементов, например.грамм. Cl2 и P4.,)

2. Степень окисления одноатомного иона такая же, как и его заряд (например, степень окисления Na + = +1, а степень окисления S2- равна -2).

3. В бинарных соединениях элементу с большей электроотрицательностью присваивается отрицательная степень окисления, равная его заряду, если он обнаружен в простых ионных соединениях (например, в соединении PCl3 хлор более электроотрицателен, чем фосфор. В простых ионных соединениях Cl имеет ионный заряд 1-, поэтому его степень окисления в PCl3 составляет -1)

4.Сумма степеней окисления равна нулю для электрически нейтрального соединения и равна общему заряду для ионных частиц.

5. Щелочные металлы проявляют в соединениях только степень окисления +1.

6. Щелочноземельные металлы проявляют только степень окисления +2 в соединениях.

После успешного построения структур Льюиса их можно использовать для предсказания геометрии электронного облака, формы молекул и полярности молекул и ионов.Для более подробного обсуждения обратитесь к своему учебнику. В частности, посмотрите на трехмерные изображения всех геометрических форм и форм.

Геометрия электронного облака и молекулярная геометрия

Геометрия электронного облака вокруг центрального атома определяется числом окружающих его электронных групп. Каждый набор (2, 3, 4, 5 и 6) имеет свое имя и расположение в трехмерном пространстве. Электронные облака, все отрицательные, наиболее стабильны, когда разделены как можно дальше друг от друга.Это называется теорией отталкивания электронных пар валентных оболочек (VSEPR). В то время как геометрия электронного облака описывает ориентацию электронов вокруг центрального атома, геометрия молекулы описывает расположение периферийных атомов.

Эксперимент

В лаборатории вам будут представлены шесть молекулярных моделей как неизвестные. Назвать их будет вашей работой. Вам также будет предложено определить их электронную пару и геометрию молекул, измерив их валентные углы с помощью транспортира.Предоставляется рабочий лист, содержащий другие вопросы, которые необходимо заполнить для каждой из молекул. Вы должны сделать пять дополнительных копий рабочего листа для использования во время урока. Эти листы затем будут использоваться в качестве раздела данных в вашем лабораторном отчете.

Расчет степени окисления углерода — Master Organic Chemistry

Формализм состояния окисления

К концу Gen Chem расчет степени окисления различных металлов должен быть довольно привычным.

Вот что вы делаете. Возьмем, например, типичное соединение — FeCl 3 . Относитесь к каждой связи между металлом и другим атомом, как если бы это была ионная связь. Это означает, что более электроотрицательные элементы (например, хлор или кислород) несут отрицательный заряд, а менее электроотрицательный элемент (например, металл) несет положительный заряд.

Если соединение нейтральное, сумма степеней окисления также должна быть нейтральной. (Если соединение имеет заряд, вы соответственно регулируете степени окисления, чтобы их сумма была равна заряду).

1. Расчет степени окисления неорганических соединений

А теперь интересное упражнение. Попробуйте применить те же правила к углероду.

Это будет немного странно. Почему? Потому что есть два ключевых отличия.

  • Первые , углерод часто более электроотрицателен (2,5), чем некоторые из атомов, с которыми он связан (например, H, 2,2). Так что же делать в этом случае?
  • Во-вторых, в отличие от связей металл-металл, связи углерод-углерод встречаются повсеместно.Так как же с ними справиться?

Два ответа.

  1. В связи C-H H рассматривается, как если бы он имел степень окисления +1. Это означает, что каждая связь CH будет уменьшать степень окисления углерода на 1.
  2. Любые две связи между одним и тем же атомом не влияют на степень окисления (напомним, что степень окисления Cl в Cl-Cl (и степень окисления H в HH ) равно 0. Таким образом, углерод, присоединенный к 4 атомам углерода, имеет степень окисления 0.

Таким образом, в отличие от металлов, которые почти всегда находятся в положительной степени окисления, степень окисления углерода может широко варьироваться от -4 (в CH 4 ) до +4 (например, в CO 2 ).Вот несколько примеров.

2. Расчет степени окисления углерода

(Не забывайте, что это неспроста называется «формализмом». На самом деле заряд углерода не , +4 или –4. Но формализм степени окисления помогает нам отслеживать, куда направляются электроны, что очень скоро пригодится).

С пониманием того, как рассчитать степени окисления углерода, мы готовы к следующему шагу: понимание изменяет степени окисления углерода посредством реакций, известных как окисления (где степень окисления увеличивается), и восстановлений (где степень окисления снижена).Подробнее об этом в следующий раз.

Двуокись углерода

Двуокись углерода

Свойства диоксида углерода

Из структуры Льюиса CO 2 и VSEPR мы можем определить, что это линейная молекула.

Давайте посмотрим на некоторые физические свойства CO 2 .

Недвижимость CO 2
точка кипения 195 (возвышенные)
H f (298 K) -393.5 кДж / моль
энергия связи 806 кДж / моль
Расстояние между соединениями C-O 1,16
дипольный момент 0 D

Связи C-O в диоксиде углерода полярны, но дипольный момент равен нулю, потому что два диполя связи компенсируют друг друга.

Одна вещь, которую мы можем понять, глядя на структуру CO 2 , это то, что углеродный центр молекулы должен быть электрофильным .Электрофил (любитель электронов) — это бедный электронами центр, который будет притягиваться к центрам, богатым электронами.

Даже при том, что общее количество электронов вокруг углерода равно 8, это переоценка электронной плотности. Этот углерод связан только с сильно электроотрицательными атомами кислорода. Все связывающие электроны будут более тесно связаны с кислородом, чем с углеродом.


Связь в диоксиде углерода

Из структуры Льюиса мы можем видеть, что углерод в CO 2 должен образовывать 2-сигма-связи и не имеет неподеленных пар.Этот атом будет 2sp гибридизован с оставшимися атомными орбиталями 2p x и 2p y .

Каждый кислород образует 1 сигма-связь, а также требует 2 орбиталей для неподеленных пар электронов. Каждый из них должен быть 2sp 2 , гибридизированным с оставшейся 2p орбиталью. Один из атомов кислорода будет иметь орбиталь 2p x , чтобы объединиться с орбиталью углерода 2p x . Другой кислород будет иметь орбиталь 2p y , которая может объединяться с другой p-орбиталью на углероде.

Орбиталь 2sp 2 на O1 объединяется с орбиталью 2sp на C, образуя сигма-связь и сигма-антисвязывающую молекулярную орбиталь.Другая 2sp орбиталь на C объединяется с 2sp 2 орбиталью на O 2 , образуя еще один набор сигма-связывающих и сигма-антисвязывающих молекулярных орбиталей.

Оставшиеся 2sp 2 от атомов кислорода становятся несвязывающими молекулярными орбиталями.

O 1 2p x комбинируется с C 2p x для образования пи-связывания и пи-антисвязи молекулярной орбитали. O 2 2p y объединяется с C 2p y , чтобы создать еще один набор молекулярных орбиталей связывания пи и антисвязывания пи.

16 валентных электронов заполняют 2 связывающие пи-орбитали, так что между углеродом и каждым кислородом существует полная двойная связь.


Состояние окисления

Как вы видели выше, общее количество электронов вокруг атомов в диоксиде углерода серьезно переоценивает электронную плотность вокруг атома углерода. Это не помогает нам предсказать реакционную способность этого атома. Формализм степени окисления может дать нам лучшее представление о плотности электронов вокруг атома и его тенденции добавлять электроны и уменьшаться.

Чтобы найти степень окисления атомов в CO 2 ,

  1. Изобразите структуру Льюиса.
  2. Разорвать связи, дав все связывающих электронов к более электроотрицательному из двух атомов. (Если атомы одинаковые, дайте каждому атому 1/2 связывающих электронов.)
  3. Подсчитайте количество электронов вокруг каждого атома и сравните количество электронов с количеством валентных электронов, как вы это делаете для формального заряда.
  4. Используйте римские цифры вместо цифр для обозначения степени окисления.

Из степеней окисления мы видим, что углеродный центр очень беден электронами и находится в максимально возможной степени окисления. Он должен быть подвержен сокращению.


Переходная муфта

Металлический натрий имеет единственный электрон в валентной оболочке. Он имеет сильную тенденцию терять этот электрон и окисляться. Углерод в CO 2 находится в самой высокой степени окисления. Он должен иметь тенденцию приобретать электрон и окисляться.

Непарные электроны на двух восстановленных углеродных центрах могут объединяться с образованием ковалентной связи в продукте, оксалате натрия.


Добавление гидроксида

Углерод CO 2 является электрофильным (бедным электронами). Кислород в гидроксид-ионе, HO-, имеет избыточную электронную плотность по сравнению с кислородом. Богатый электронами центр, который может образовывать связь с бедным электронами атомом углерода, называется нуклеофилом (нейтрализатор положительного заряда). Фиолетовые стрелки на схеме реакции указывают поток электронов в реакции.Назад

Компас

Таблицы

Индекс

Вступление

Следующий

Окислительные состояния в реакциях сахара

Окислительные состояния в реакциях сахара

Состояния окисления

В предыдущей лекции обсуждалось, как определить степень окисления любого атома в молекуле по структуре Льюиса. Когда степень окисления некоторых атомов меняется от реагентов к продуктам, важно, чтобы количество электронов, теряемых любыми атомами, в точности равнялось количеству, полученному другими атомами.

Давайте посмотрим на степени окисления атомов в глюкозе. Мы получаем степени окисления, (1) нарисовав структуру Льюиса, (2) разорвав все связи и отдав электроны в связи более электроотрицательному элементу, и (3) сравнив количество электронов вокруг каждого элемента с числом этого элемента в валентные электроны. Степени окисления всегда указываются римскими цифрами, чтобы отличить их от официальных зарядов.

Мы можем видеть, что степень окисления всех атомов кислорода — II, а степень окисления всех атомов водорода — I.Степени окисления атомов углерода варьируются от I до -I со средней степенью окисления 0.

Теперь мы посмотрим на степени окисления некоторых других молекул.


Половина реакции кислород + глюкоза

Сначала давайте рассмотрим сжигание сахара (или дыхание). Глюкоза реагирует с молекулярным кислородом с образованием углекислого газа и воды.

Атомы углерода в глюкозе окисленные . То есть они теряют электрон и переходят в более высокую степень окисления.

Атомы кислорода в молекулярном кислороде восстановлены . То есть они добавляют электроны и переходят в более низкую степень окисления.

Если мы хотим представить в уравнении только процесс окисления, мы показываем только тот реагент, который окисляется. Мы можем использовать H 2 O или H + , чтобы уравновесить атомы кислорода и водорода по обе стороны уравнения.

Каждый из атомов углерода в среднем окисляется 4 электронами, всего 24 электрона.Чтобы уравновесить половину реакции окисления, нам нужно добавить 6 молекул воды, чтобы добавить достаточно атомов кислорода, чтобы образовались все молекулы диоксида углерода. В качестве продуктов также будет 24 протона.

Теперь рассмотрим восстановление молекулярного кислорода (степень окисления 0) до степени окисления воды (-II). Каждому атому кислорода требуется 2 электрона, всего 4. Чтобы сбалансировать реакцию, мы можем добавить 4 протона к реагирующей части уравнения.

Чтобы получить чистую реакцию, мы умножаем одно из уравнений на некоторый коэффициент, чтобы количество произведенных электронов было равно количеству используемых электронов.


Половина реакции хлорат + глюкоза

Хлорат-анион — еще один окислитель (см. Реакцию мармеладного червя на индексной странице), который может окислять глюкозу и восстанавливаться.

Окисление глюкозы до диоксида углерода такое же, как указано выше.

Cl (V) в хлорат-ионе восстанавливается до Cl (-I) в хлорид-анионе для восстановления 6 электронов.

Умножение половины реакции восстановления на 4, чтобы использовать 24 электрона, и объединение полуреакций окисления и восстановления дает нам чистую реакцию.


Половина реакции для водорода + глюкозы

В реакции с водородом образуются гексан и вода. Давайте посмотрим на структуру Льюиса и степени окисления атомов в гексане.

При переходе от глюкозы к гексану атомы углерода сокращаются в общей сложности на 14 электронов.

Водород окисляется от степени окисления 0 в H 2 до степени окисления I в воде.

Необходимо умножить половину реакции окисления на 7, чтобы получить равное количество электронов в двух полуреакциях.

Назад

Компас

Таблицы

Индекс

Вступление

Следующий

Как определить степень окисления Ch5

Концепция окисления в химии несколько сбивает с толку, главным образом потому, что она предшествует пониманию структуры атома и того, как протекают химические реакции. Этот термин возник, когда химики анализировали реакции с участием кислорода, который был первым известным окислителем.

Для современных химиков, знакомых с обменом электронами в реакциях, окисление означает потерю электронов, а восстановление — получение электронов.Современное определение применяется как к реакциям, в которых участвует кислород, так и к реакциям, в которых не участвует, например, к образованию метана (CH 4 ) из ​​углерода и водорода. Когда вы добавляете кислород к метану для образования углекислого газа и воды, это тоже окисление. Атом углерода теряет электроны, и его состояние окисления изменяется, в то время как атомы кислорода получают электроны и восстанавливаются. Это называется окислительно-восстановительной реакцией.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Степень окисления углерода в молекуле метана составляет -4, а у водорода +1.

Степень окисления углерода в метане

Благодаря четырем валентным электронам углерод может существовать в различных степенях окисления от +4 до -4. Вот почему он образует так много соединений, больше, чем любой другой элемент. Чтобы определить его состояние в конкретном соединении, вы обычно должны смотреть на связи, которые оно образует с другими элементами в соединении.

Водород имеет только один валентный электрон, и поскольку этот электрон находится в своей первой оболочке, ему нужен только один электрон, чтобы заполнить оболочку.Это делает его аттрактором электронов со степенью окисления +1. Водород также может потерять электрон и существовать в степени окисления -1, когда он соединяется с металлами группы 1 с образованием гидридов металлов, таких как NaH и LiH, но в большинстве случаев, например, когда он соединяется с углеродом, он всегда находится в + 1 степень окисления.

Чтобы вычислить степень окисления углерода в молекуле метана, вы обрабатываете каждую связь углерод-водород, как если бы она была ионной. Молекула не имеет чистого заряда, поэтому сумма всех углерод-водородных связей должна быть равна 0.Это означает, что атом углерода отдает четыре электрона, что делает его степень окисления -4.

Состояние окисления углерода изменяется при сжигании метана

Когда вы соединяете метан с кислородом, образуются углекислый газ, вода и энергия в виде тепла и света. Сбалансированное уравнение этой реакции:

CH 4 + 2 O 2 -> CO 2 + 2 H 2 O + энергия

Углерод претерпевает резкое изменение степени окисления в этой реакции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.