Каждый элемент способен образовывать простое вещество, находясь в свободном состоянии. В таком состоянии движение атомов происходит одинаково, они симметричны. В сложных веществах дело обстоит намного сложнее. в таком случае асимметричны, в молекулах сложных веществ образуются сложные

Что подразумевается под окислением

Существуют такие соединения, в которых электроны распределяются максимально неравномерно, т.е. при образовании сложных веществ переходят от атома к атому.

Именно такая неравномерность распределения в сложных веществах называется окисленностью или окислением. Образуемый при этом заряд атома в молекуле называется степенью окисленности элементов. В зависимости от природы перехода электронов от атома к атому различают отрицательную либо положительную степень. В случае отдачи либо принятия атомом элемента нескольких электронов образуется соответственно положительная и отрицательная степени окисления химических элементов (Э+ или Э -). Например, запись К +1 означает, что атом калия отдал один электрон. В любом центральное место занимают атомы углерода. Валентность данного элемента соответствует 4-м в любом соединении, однако в разных соединениях степень окисления углерода будет разной, она будет равна -2, +2, ±4. Такая природа разного значения валентности и степени окисления наблюдается практически в любом соединении.

Определение степени окисления

Чтобы правильно определить необходимо знать основополагающие постулаты.

Металлы не способны иметь минусовую степень, однако существуют редкие исключения, когда металл образует соединения с металлом. В периодической системе номер группы атома соответствует максимально возможной степени окисления: углерода, кислорода, водорода и любого другого элемента. Электроотрицательный атом при смещении в сторону другого атома одного электрона получает заряд -1, двух электронов -2 и т.д. Это правило не действует для одних и тех же атомов. Например, у связи Н-Н она будет равна 0. Связь С-Н=-1. Степень окисления углерода в связи С-О=+2. Одно и то же значение степени имеют металлы первой и второй группы системы Менделеева и фтор (-1). У водорода данная степень практически во всех соединениях равна +1, за исключением гидридов, в которых она составляет -1. Для элементов, имеющих непостоянную степень, ее можно посчитать, зная формулу соединения. Основное правило, которое гласит, что сумма степеней в любой молекуле равна 0.

Пример расчета степени окисления

Рассмотрим расчет степени окисления на примере углерода в соединении CH3CL . Возьмём исходные данные: степень у водорода равна +1, у хлора -1. Для удобства в расчете х будем считать степень окисления углерода. Тогда, для CH3CL будет иметь место уравнение х+3*(+1)+(-1)=0. Произведя несложные арифметические действия, можно определить, что степень окисления углерода будет равняться +2. Таким способом можно произвести расчеты для любого элемента в сложном соединении.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углерод – шестой по счету элемент Периодической таблицы. Расположен во втором периоде IV группы A подгруппы. Обозначение – C.

В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем - это карбин и поликумулен - разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа …-C≡ C-C≡C-… или.. = C = C = C = C = ….

Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.

В природе углерод находится в виде двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%).

Степень окисления углерода в соединениях

Углерод существует в виде нескольких простых веществ - аллотропных модификаций (см. выше), в которых его степень окисления равна нулю .

С менее электроотрицательными, чем он сам, элементами углерод дает карбиды. Поскольку для углерода характерно образовывать гомоцепи, состав большинства карбидов не отвечает степени окисления углерода (-4): Si +4 C -4 , B 4 C -4 , CaC -4 2 , Al 4 C -4 3 . В качестве простейшего карбида можно рассматривать метан C -4 H 4 .

Углерод проявляет степени окисления (+2) и (+4) , в соединениях с более электроотрицательными, чем он сам, неметаллическими элементами, например C +2 O -2 , C +2 S -2 , H +1 C -2 N +1 , C +4 O -2 2 , C +4 F -1 4 , C +4 O -2 S -2 , C +4 O -2 Cl -1 2 , C +4 Cl -1 4 и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Разберем задания №4 из вариантов ОГЭ за 2016 год.

Задания с решениями.

Задание №1.

Валентность неметаллов последовательно увеличивается в ряду водородных соединений, формулы которых:

1. HF → CH4 → H2O → NH3

2. SiH4 → AsH3 → H2S → HCl

3. HF → H2O → NH3 → CH4

4. SiH4 → H2S → AsH3 → HCl

Объяснение: расставим по порядке во всех вариантах ответа валентности неметаллов:

1. HF (I)→ CH4(IV) → H2O(II) → NH3(III)

2. SiH4(IV) → AsH3(III) → H2S(II) → HCl(I)

3. HF(I) → H2O(II) → NH3(III) → CH4(IV)

4. SiH4(IV) → H2S(II) → AsH3(III) → HCl(I)

Правильный ответ - 3.

Задание №2.

В веществах, формулы которых: CrO3, CrCl2, Cr(OH)3, хром проявляет степени окисления, соответственно равные:

1. +6, +2, +3

2. +6, +3, +2

3. +3, +2, +3

4. +3, +2, +6

Объяснение: определим у хрома степени окисления в данных соединениях: +6, +2, +3. Правильный ответ - 1.

Задание №3.

Азот проявляет одинаковую степень окисления в каждом из двух веществ, формулы которых:

1. N2O5 и LiNO3

2. Li3N и NO2

3. NO2 и HNO2

4. NH3 и N2O3

Объяснение: определим степени окисления азота в каждой паре соединений:

1. +5 и +5

2. -3 и +4

3. +4 и +3

4. -3 и +3

Правильный ответ - 1.

Задание №4.

В порядке уменьшения валентности в водородных соединениях элементы расположены в ряду:

1. Si → P → S → Cl

2. F → N → C → O

3. Cl → S → P → Si

4. O → S → Se → Te

Объяснение: напишем соответствующие водородные соединения с соответствующими валентностями для каждого ряда:

1. SiH4(IV) → PH3(III) → H2S(II) → HCl(I)

2. HF(I) → NH3(III) → CH4(IV) → H2O(II)

3. HCl(I) → H2S(II) → PH3(III) → SiH4(IV)

4. H2O(II) → H2S(II) → H2Se(II) → H2Te(II)

Правильный ответ - 1.

Задание №5.

Отрицательная степень окисления химических элементов численно равна:

1. номеру группы в периодической системе

2. Числу электронов, недостающих до завершения внешнего электронного слоя

3. Числу электронных слоев в атоме

4. Номеру периода, в котором находится элемент в периодической системе

Объяснение: электроны - отрицательные частицы, поэтому отрицательная степень окисления обозначает количество электронов, добранных до завершения уровня. Правильный ответ - 2.

(соответственно, положительная степень окисления обозначает недостаток электронов)

Задание №6.

Валентность хрома равна шести в веществе, формула которого:

1. Cr(OH)3 2. Cr2O3 3. H2CrO4 4. CrO

Объяснение: определим валентность хрома в каждом веществе:

1. Cr(OH)3 - III 2. Cr2O3 - III 3. H2CrO4 - VI 4. CrO - II

Правильный ответ - 3.

Задание №7.

Атомы серы и углерода имеют одинаковую степень окисления в соединениях

1. H2S и CH4

2. H2SO3 и CO

3. SO2 и H2CO3

4. Na2S и Al3C4

Объяснение: определим в каждой паре степени окисления серы и углерода:

1. +2 и -4

2. +4 и +2

3. +4 и +4

4. -2 и -4

Правильный ответ - 3.

Задание №8.

В порядке уменьшения валентности в высших оксидах элементы расположены в ряду:

1. Cl → S → P → Si

2. Si → P → S → Cl

3. N → Si → C → B

4. Na → K → Li → Cs

Объяснение: запишем формулы высших оксидов с соответствующими валентностями для каждого ряда элементов:

1. Cl2О7(VII) → SО3(VI)→ P2О5(V) → SiО2(IV)

Правильный ответ - 1.

Задание №9.

В каком соединении марганец имеет наибольшую степень окисления?

1. KMnO4 2. MnSO4 3. K2MnO4 4. MnO2

Объяснение: определит степень окисления марганца в каждом соединении:

1. KMnO4 - +7 2. MnSO4 - +2 3. K2MnO4 - +6 4. MnO2 - +4

Правильный ответ - 1.

Задание №10.

Высшую степень окисления углерод имеет в соединении:

1. С алюминием

2. С кальцием

3. С хлором

4. С железом

Объяснение: запишем соответствующие соединения углерода со степенями окисления:

1. Al4C3 (-4)

2. CaC2 (-4)

3. CCl (+4)

4. Fe3C (-2)

Правильный ответ - 3.

Задания для самостоятельной работы.

1. Нулевое значение степени окисления имеют все элементы в веществах, формулы которых:

1. SO2, H2S, H2

2. N2, NH3, HNO3

3. HBr, Br2, NaBr

4. H2, Br, N2

2. Вещество, в котором степень окисления фосфора равна -3, имеет формулу:

1. P2O5 2. P2O3 3. PCl3 4. Ca3P2

3. Степень окисления железа в соединениях, формулы которых Fe2O3 и Fe(OH)2, соответственно равна:

1. +3 и +3 2. +2 и +2 3. +3 и +2 4. +2 и +3

4. В соединениях, формула которого CaCO3, степень окисления углерода равна:

1. +2 2. -4 3. -2 4. +4

5. В соединениях, формула которого HClO3, степень окисления хлора равна:

1. +5 2. +3 3. +1 4. +7

6. В соединениях, формула которого H3PO4, степень окисления фосфора равна

1. +3 2. +5 3. +2 4. +1

7. Валентность углерода в соединениях, формулы которых СН4 и СО2, соответственно равна:

1. II и IV 2. II и II 3. IV и II 4. IV и IV

8. В соединении, формула которого Н2О2, степень окисления кислорода равна:

1. -2 2. -1 3. +2 4. +1

9. В соединении, формула которого Fe3O4, степень окисления железа равна:

1. +2, +3 2. +2 3. +3 4. +4

10. В перечне KClO3, Cl2, HF, KI, F2, CBr4, AgBr, число формул веществ, в которых галогены имеют нулевую степень окисления, равно

1. Одному 2. Двум 3. Трем 4. Четырем

Предоставленные задания были взяты из сборника для подготовки к ОГЭ по химии авторов: Корощенко А.С. и Купцовой А.А.

В большинстве неорганических соединений углерод проявляет степени окисления –4, +4, +2.

В природе содержание углерода составляет 0,15% (мол. доли) и находится в основном в составе карбонатных минералов (прежде всего известняка и мрамора СаСО 3 , магнезита МgСО 3 , доломита МgСО 3 ∙СаСО 3 , сидерита FeСО 3), каменного угля , нефти , природного газа , а также в виде графита и реже алмаза . Углерод – главная составная часть живых организмов.

Простые вещества. Простые вещества элемента углерода имеют полимерное строе­ние, и в соответствии с характерными гибридными состояниями орбиталей атомы углерода могут объединяться в полимерные образования координационной (sp 3 ), слоистой (sp 2) и линейной (sp ) структуры, что соответствует типам простых веществ: алмаз (β-С), графит (α-С) и карбин (С 2)n . В 1990 г. получена четвертая модификация углерода – фуллерен С 60 и С 70 .

Алмаз – бесцветное кристаллическое вещество с кубической решеткой, в которой каждый атом углерода связан σ-связями с четырьмя соседними – это обусловливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях.

Карбин – черный порошок с гексагональной решеткой, построенной из прямолинейных σ- и π-связей: –С≡С–С≡С–С≡ (полиин ) или =С=С=С=С=С= (поликумулен ).

Графит – устойчивая форма существования элемента углерода; серо-черный, с металлическим блеском, жирный на ощупь, мягкий неметалл, обладает проводимостью. При обычной температуре весьма инертен. При высоких температурах непосредственно взаимодействует с многи­ми металлами и неметаллами (водородом, кислородом, фтором, серой). Типичный восстановитель; реагирует с водяным паром, концентрированной азотной и серной кислотами, оксидами металлов. В «аморфном» состоянии (уголь, кокс, сажа) легко сгорает на воздухе.

C + H 2 O(пар, 800-1000°С) = CO + H 2

C + 2H 2 SO 4 (конц.) = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

C + 4HNO 3 (конц.) = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 (600°С, kat. Pt) = CH 4

C + O 2 (600-700°С) = CO 2

2C + O 2 (выше 1000°С) = 2CO

2С + Ca(550°С) = CaC 2

С + 2PbO(600°С) = 2Pb + CO 2

C + 2F 2 (выше 900°С) = CF 4

Вследствие очень высокой энергии актива­ции превращения модификаций углерода возможны лишь при особых условиях. Так, алмаз превращается в графит при нагревании до 1000–1500°С (без доступа воздуха). Переход графита в алмаз требует очень высокого давления (6∙10 9 –10∙10 10 Па); освоен метод получения алмаза при низком давлении.

C(алмаз) = С(графит) (выше 1200°С)

(C 2) n (карбин) = 2n С(графит) (2300°С)

Получение и применение. Из графита изготовляют электроды, плавильные тигли, футеровку электрических печей и промышленных электролизных ванн и др. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Графит применяют также как смазочный материал и т. д. Исключительная твердость алмаза обусловливает его широкое применение для обработки особо твердых материалов, при буровых работах, для вытягивания проволоки и т. д. Наиболее совершенные кристаллы алмаза используют после огранки и шлифовки для изготовления ювелирных изделий (бриллианты).

Благодаря большой адсорбционной способности древесного и животного углей (кокс, древесный уголь, костяной уголь, сажа) они применяются для очистки веществ от примесей. Кокс, получаемый при сухой переработке каменного угля, применяется главным образом в металлургии при выплавки металлов. Сажа используется в производстве черной резины, для изготовления красок, туши и т. д.

Диоксид углерода CO 2 используют в производстве соды, для тушения пожаров, приготовления минеральной воды, как инертную среду при проведении различных синтезов.

Соединения с отрицательной степенью окисления. С менее электроотрицательными, чем он сам, элементами углерод дает карбиды. По­скольку для углерода характерно образовывать гомоцепи, состав боль­шинства карбидов не отвечает степени окисления углерода –4. По типу химической связи можно выделить ковалентные, ионно-ковалентные и металлические карбиды.

Ковалентные карбиды кремния SiC и бора B 4 C – полимерные вещества, характеризующиеся очень высокой твердостью, тугоплав­костью и химической инертностью.

Простейшим ковалентным карбидом является метан СН 4 – химически весьма инертный газ; на него не действуют кислоты и щелочи, однако он легко загорается, и его смеси с воздухом чрезвычайно взрывоопасны. Метан – основной компонент природного (60–90%) рудничного и болотного газа. Богатые метаном газы используются как топливо и сырье для химического производства.

Углерод образует многообразные перкарбиды , например, некоторые простейшие углеводороды – этан С 2 Н 6 , этилен С 2 Н 4 , ацетилен С 2 Н 2 .

Ионно-ковалентные карбиды – кристаллические солеподобные вещества. При действии воды или разбавленной кислоты они разру­шаются с выделением углеводородов. Поэтому карбиды подобного типа можно рассматривать как производные соответствующих углево­дородов. Производные метана – метаниды , например, карбиды Ве 2 С и АlС 3 . Они разлагаются водой, выделяя метан:

АlС 3 + 12Н 2 О = 4Al(ОН) 3 + 3СН 4 ­

Из солеподобных перкарбидов наиболее изучены ацетилиды типа М 2 +1 С 2 , М +2 С 2 и М 2 +3 (С 2) 3 . Имеющий наибольшее значение ацетилид кальция СаС 2 (называемый карбидом) получают нагреванием СаО с углем в электро­печах:

СaO + 3C = CaC 2 + CO

Ацетилиды более или менее легко разлагаются водой с образованием ацетилена:

СаС 2 + 2Н 2 O = Са(ОН) 2 + С 2 Н 2

Эта реакция используется в технике для получения ацетилена.

Металлическими являют­ся карбиды d -элементов IV–VIII групп. Чаще всего встречаются карбиды среднего состава МС (TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, ТаС), М 2 С (Мо 2 С, W 2 С), М 3 С (Мn 3 С, Fe 3 С, Со 3 С). Металлические карбиды входят в состав чугунов и сталей, прида­вая им твердость, износоустойчивость и другие ценные качества. На основе карбидов вольфрама,титана и тантала производят сверхтвер­дые и тугоплавкие сплавы, применяемые для скоростной обработки металлов.

Соединения углерода (IV). Степень окисления углерода +4 прояв­ляется в его соединениях с более электроотрицательными, чем он сам, неметаллами: СНаl 4 , СОНаl 2 , СО 2 , COS, CS 2 и анионных комплексах CO 3 2– , COS 2 2– , CS 3 2– .

По химической природе эти соединения углерода (IV) являются кислотными. Некоторые из них взаимодействуют с водой, образуя кислоты:

СO 2 + Н 2 O = Н 2 СО 3

СOCl 2 + 3Н 2 О = Н 2 СО 3 + 2НCl

и с основными соединениями, образуя соли:

2КОН + СO 2 = К 2 СО 3 + Н 2 О

Из тетрагалогенидов CHal 4 наибольшее применение получил тетрахлор метан СCl 4 в ка­честве негорючего растворителя органических веществ, а также жид­кости для огнетушителей. Его получают хлорированием сероуглерода в присутствии катализатора:

CS 2 + Cl 2 = CCl 4 + S 2 Cl 2

Смешанный фторид-хлорид углерода ССl 2 F 2 – фреон (t кип. –30 °С) применяется в качестве хладагента в холодильных машинах и установках. Не ядовит. При попадании в атмосферу разрушает озоновый слой.

Дисульфид углерода или сероуглерод СS 2 (ядовит) получают взаимодействием паров серы с раскаленным углем: C + 2S = СS 2

Сероуглерод легко окисляется, при небольшом нагреве воспламеняется на воздухе: СS 2 + 3O 2 = CO 2 + 2SO 2

Все оксодигалогениды (карбонилгалогениды) COHal 2 значительно более реакционноспособны, чем тетрагалогениды; в частности, они легко гидролизуются:

СОСl 2 + Н 2 O = СO 2 + 2НCl

Наибольшее применение находит СОCl 2 (фосген, хлористый карбонил ) – чрезвы­чайно ядовитый газ. Его широко используют в органическом синтезе.

Диоксид углерода CO 2 (углекислый газ ) в технике обычно получают термическим разложением СаСО 3 , а в лаборатории – действием на СаСО 3 хлороводородной кислотой.

СаСО 3 = CaO + CO 2 СаСО 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2

Диоксид углерода легко поглощается растворами щелочей, при этом образуется соответствующий карбонат , а при избытке СО 2 – гидро­карбонат :

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

CaCO 3 ↓ + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

Гидрокарбонаты в отличие от карбонатов в большинстве своем раство­римы в воде.

Растворимость CO 2 в воде невелика, некоторая часть растворенного диоксида углерода взаимодействует с водой с образованием неустойчивой средней угольной кислоты Н 2 СО 3 (триоксокарбонат водорода).

Сульфидокарбонаты (IV) (тиокарбонаты) во многом напоминают триоксокарбонаты (IV). Их можно получить взаимодейст­вием сероуглерода с основными сульфидами, например:

К 2 S + СS 2 = К 2 [СS 3 ]

Водный раствор Н 2 СS 3 – слабая тиоугольная кислота . Постепенно разлагается водой, образуя угольную кислоту и сероводород:

Н 2 СS 3 + 3Н 2 О = Н 2 СО 3 + 3Н 2 S

Из нитридокарбонатов важное значение имеет цианамид кальция СаСN 2 , получаемый окислением кар­бида кальция СаС 2 азотом при нагревании:

СаС 2 + N 2 = СаСN 2 + С

Из оксонитридокарбонатов водорода наибольшее значение имеет мочевина (карбамид ) СО(NH 2) 2 , получаемая действием СО 2 на водный раствор аммиака при 130° С и 1∙10 7 Па:

СО 2 + 2N 3 Н = СО(NH 2) 2 + Н 2 О

Мочевина применяется в качестве удобрения и для подкормки скота, как исходный продукт для получения пластических масс, фармацевтических препаратов (веронала, люминала и др.) и пр.

Сульфидонитридокарбонат (IV) водорода или тиоцианат водо­рода НSСN в водном растворе обра­зует сильную (типа НCl) тиоцианистоводородную кислоту . Тиоцианиты в основном применяют при крашении тканей; NН 4 SСN используют как реактив на ионы Fe 3+ .

Соединения углерода (II). Производные углерода (II) – это СО, СS, HCN.

Оксид углерода (II) СО (угарный газ ) образуется при сгорании углерода или его соединений в недостатке кислорода, а также в результате взаимодействия оксида углерода (IV) с раскаленным углем.

СО 2 + С ↔ 2СО

В молекуле СО имеется тройная связь, как в N 2 и цианид-ионе CN – . В обычных условиях оксид углерода (II) химически весьма инертен. При нагревании проявляет восстановительные свойства, что широко используется в пирометаллургии.

При нагревании СО окисляется серой, при облучении или в присутствии катализатора взаимодействует с хлором и т. д.

СО + S = СOS (оксосульфид углерода IV);

CO + Cl 2 = СОCl 2 (оксохлорид углерода IV)

Цианид водорода HCN имеет линейную структуру H–C≡N; существует также ее таутомерная форма (изоцианид водорода ) H–N≡C. Водный раствор цианида водорода – очень слабая кислота, называемая синильной или цианистоводород­ной.

HCN – сильнейший неорганический яд.

Цианиды проявляют восста­новительные свойства. Так, при нагревании их растворов они посте­пенно окисляются кислородом воздуха, образуя цианаты:

2KCN + O 2 = 2KOCN

а при кипячении растворов цианидов с серой образуются тиоцианаты (на этом основано получение тиоцианатов):

2KCN + S = 2KSCN

Цианид водорода применяют в органическом синтезе, NаСN и КСN – при добыче золота, для получения комплексных цианидов и т. д.

При нагревании цианидов малоактивных металлов образуется дициан (СN) 2 – очень реакционноспособный ядовитый газ.