Степень окисления кислорода (О): примеры соединений, валентность и электронное строение

Теория

Степень окисления кислорода — это условный заряд атома, который меняется в зависимости от его окружения в диапазоне от −2 до +2.

Чаще всего она равна −2 (в оксидах и воде), но может быть −1 (в пероксидах), 0 (в чистом воздухе) и даже положительной (+1, +2) в паре с фтором.

Этот показатель отражает, насколько сильно кислород сместил к себе (или отдал) электроны при образовании связи.

• Валентность vs Степень окисления: Валентность — это количество «рук» (связей) у атома (почти всегда 2), а степень окисления — это направление «тока» электронов по этим рукам (+ или -).
• Заряд иона vs Степень окисления: Заряд иона — это реальный избыток или дефицит электронов у частицы, а степень окисления — это теоретический «счет в игре», нужный химикам для баланса реакций.

Рис. Спектр степеней окисления кислорода. Благодаря наличию двух неспаренных электронов на p-подуровне и отсутствию вакантных d-орбиталей, диапазон состояний кислорода ограничен значениями от −2 до +2.

Стандартное состояние: Степень окисления −2

Это «базовое» значение кислорода, которое встречается в большинстве окружающих нас веществ: в воде, песке, камнях и газах.

• Примеры соединений: H₂O (вода), CO₂ (углекислый газ), SiO₂ (кварц/песок), оксиды любых металлов (MgO, Fe₂O₃).
• Почему именно −2? Кислород занимает второе место в мире по электроотрицательности (после фтора). Это значит, что он обладает огромной силой притяжения электронов. Ему не хватает всего двух электронов до идеального заполнения своей оболочки, и он почти всегда «отнимает» их у других элементов, приобретая заряд −2.

Исключения из правил

Хотя −2 — это стандарт, в определенных условиях кислород ведет себя иначе.

Это происходит либо из-за необычного строения молекул, либо когда рядом оказывается партнер еще сильнее него.

• −1 — Пероксиды (H₂O₂, Na₂O₂): Здесь атомы кислорода соединены друг с другом (связь O-O). Поскольку они одинаковые, никто не может перетянуть электроны на себя. В итоге каждый атом кислорода забирает электрон только у «внешнего» партнера (например, водорода).
• −½ — Супероксиды (KO₂): Редкие соединения, где один лишний электрон делится сразу на два атома кислорода.
• 0 — Простые вещества (O₂, O₃): В молекулах чистого кислорода и озона силы равны. Никто не забирает электроны, поэтому заряд нейтральный.
• +1 и +2 — Соединения с Фтором (O₂F₂, OF₂): Это единственный случай, когда кислород становится положительным. Фтор — «король» электроотрицательности, он сильнее кислорода. В паре с ним кислород вынужден отдавать свои электроны.

Причины таких аномалий:

1. Особенности строения: Наличие прямой связи между одинаковыми атомами (O-O).
2. Сила партнера: Фтор — единственный элемент в таблице Менделеева, способный сделать кислород «положительным».

Как правильно рассчитать степень окисления кислорода

Если вы встретили незнакомое вещество, не нужно угадывать — используйте универсальный математический алгоритм.

В его основе лежит правило: сумма всех зарядов в нейтральной молекуле всегда равна 0.

Пошаговый алгоритм:

1. Запишите формулу вещества. (Например, KMnO₄).
2. Укажите известные значения. Мы точно знаем: у калия (K) всегда +1, у марганца (Mn) в этом соединении +7.
3. Составьте уравнение. Пусть степень окисления кислорода будет x. Так как в формуле 4 атома кислорода, получаем: (+1) + (+7) + 4 • x = 0
4. Решите уравнение. 8 + 4x = 0 ⇒ 4x = -8 ⇒ x = -2

Разбор примеров:

Вода (H₂O): У водорода всегда +1.

2 • (+1) + x = 0 ⇒ 2 + x = 0 ⇒ x = -2.

Пероксид водорода (H₂O₂): 2 • (+1) + 2x = 0 ⇒ 2 + 2x = 0 ⇒ x = -1.

Фторид кислорода (OF₂): У фтора всегда −1.

x + 2 • (-1) = 0 ⇒ x — 2 = 0 ⇒ x = +2.

Почему степень окисления меняется? (Причины вариативности)

Влияние «силы» партнера (Электроотрицательность)

Химия — это борьба за электроны. Кислород — очень сильный игрок, он забирает электроны почти у всех.

Но когда он встречается с Фтором, который еще сильнее («тянет» электроны мощнее), кислород проигрывает битву и вынужден отдавать свои электроны.

Поэтому со фтором он становится положительным.

Особенности строения и неспаренные электроны

У кислорода на внешнем уровне есть два неспаренных электрона.

Он может:

• Принять два чужих электрона на эти места (стандартные −2).
• Поделиться своими электронами с другим атомом кислорода (как в пероксидах, где связь O-O «крадет» одну возможность притянуть чужой электрон, давая −1).

Донорно-акцепторный механизм (Пример с CO)

Иногда кислород не просто делится электронами, а выступает в роли «донора».

В угарном газе (CO) между углеродом и кислородом образуются не две, а три связи.

Третья связь возникает потому, что кислород отдает свою готовую пару электронов на пустую орбиталь углерода.

Это уникальный случай, который влияет на прочность молекулы и её химические свойства.

5 способов определить степень окисления кислорода

Чтобы не ошибиться в расчетах, можно проверить себя сразу по нескольким признакам: от таблицы Менделеева до электронной структуры атома.

По таблице Менделеева (Границы группы)

• Его номер группы указывает на максимальное количество валентных электронов (6).
• Чтобы достроить оболочку до идеального состояния (8 электронов), ему нужно принять 2.
• Вывод: Типичная низшая степень окисления — −2.

По валентности (Число связей)

Валентность кислорода показывает, сколько «рук» (связей) атом протянул к соседям.

• У кислорода почти всегда 2 связи (валентность II).
• Если эти связи идут к менее электроотрицательным атомам (например, к водороду H-O-H), то степень окисления будет −2.
• Важно: В H₂O₂ валентность тоже II, но одна связь идет к другому кислороду, поэтому СО меняется на −1.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Это математический метод «от противного». Зная, что вся молекула нейтральна (заряд 0), мы вычисляем кислород через его партнеров.

• В K₂SO₄: калий всегда +1, сера здесь +6. Суммарно +8. Значит, на 4 атома кислорода должно приходиться −8.
• Результат: −2 на каждый атом.

По электронной конфигурации и квантовые числа

Электронная формула кислорода: 1s² 2s² 2p⁴.

• На внешнем уровне 6 электронов, из них 2 — неспаренные.
• Именно эти два неспаренных электрона чаще всего «принимают» партнеров, обеспечивая заряд −2.
• В отличие от серы, у кислорода нет d-подуровня, поэтому он не может переходить в высоковозбужденные состояния и проявлять СО +4 или +6.

Распределение электронов по квантовым числам:

Для внешнего уровня (n=2) состояние электронов описывается следующим образом:

• Главное квантовое число (n = 2): Указывает на то, что у кислорода всего два энергетических уровня. Это делает его радиус маленьким, а притяжение к ядру — огромным.
• Орбитальное квантовое число (l):  Для 2s-подуровня l = 0 (1 пара электронов).

Для 2p-подуровня l = 1 (4 электрона: 1 пара и 2 неспаренных электрона).

• Магнитное квантовое число (m_l): Определяет ориентацию p-орбиталей в пространстве (x, y, z).
• Спиновое квантовое число (m_s): Согласно правилу Хунда, два электрона на p-орбиталях остаются неспаренными (имеют параллельные спины).

По электроотрицательности (Сравнение с партнерами)

Это самый надежный способ понять знак (+ или −).

• Сравниваем значения: O (3,44) против партнера.
• Если партнер слабее (все элементы, кроме фтора), кислород тянет электроны на себя (−).
• Если партнер — Фтор (4,0), электроны уходят от кислорода (+).

Изменения в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР)

Кислород — один из самых мощных окислителей на Земле. В подавляющем большинстве реакций он выступает в роли «хищника», который отбирает электроны у других атомов.

Кислород как типичный окислитель

В реакциях горения или окисления простых веществ степень окисления кислорода всегда понижается (процесс восстановления).

• Реакция: 2H₂⁰ + O₂⁰ → 2H₂⁺¹O^-2
• Что происходит: Кислород переходит из состояния 0 в −2. Он принял электроны — он окислитель.

Окисление кислорода (Редкие случаи)

Существуют реакции, где кислород сам вынужден отдавать электроны. Это происходит только при взаимодействии с фтором.

• Реакция: O₂⁰ + F₂⁰ → O₂⁺²F₂^-1 (при электрическом разряде)
• Что происходит: Кислород переходит из 0 в +2. Здесь он технически выступает в роли восстановителя.

Реакции диспропорционирования

Это уникальные случаи, когда один и тот же кислород в одной реакции и повышает, и понижает свою степень окисления.

Яркий пример — разложение перекиси водорода.

• Реакция: 2H₂O₂^-1 → 2H₂O^-2 + O₂⁰
• Что происходит: Часть атомов кислорода переходит из −1 в −2 (окислитель). Другая часть переходит из −1 в 0 (восстановитель).

Как определить роль кислорода по изменению СО?

Чтобы быстро понять, кем является кислород в реакции, используйте простую схему:

• СО уменьшилась (например, с 0 до -2 или с -1 до -2): Кислород — Окислитель (забрал электроны).
• СО увеличилась (например, с 0 до +2 или с -1 до 0): Кислород — Восстановитель (отдал электроны).

Частые ошибки и заблуждения

Миф: «У кислорода всегда степень окисления −2»

Это самое популярное заблуждение.

• Как на самом деле: Это значение верно для 90% соединений, но не для всех. Если в формуле есть активные металлы (пероксиды), связь O-O или фтор — правило перестает работать. Всегда проверяйте структуру молекулы, если она кажется необычной.

Путаница между степенью окисления и зарядом иона

Часто люди думают, что если заряд гидроксид-иона равен 1-, то и степень окисления кислорода там -1.

• Как на самом деле: В ионе OH- заряд всего иона равен -1. Но если посчитать внутри: H (+1) и O (-2), то в сумме как раз получается -1. Степень окисления кислорода здесь стандартная — −2.

Ошибки в органических соединениях

В органике (спирты, эфиры, альдегиды) многие по привычке ставят кислороду −2, не учитывая, с кем он связан.

• На что обратить внимание: Хотя в большинстве органических молекул у кислорода действительно −2, существуют органические пероксиды (например, перекись ацетона), где СО кислорода равна −1.

Неправильный расчет в простых веществах

Иногда в сложных уравнениях ОВР люди машинально ставят кислороду в молекуле O₂ заряд -2.

• Как на самом деле: Запомните «железное» правило: у любого простого вещества (O₂, O₃) степень окисления всегда 0. Атомы одного и того же элемента не могут отнимать электроны друг у друга.

Забытый Фтор

Многие забывают, что фтор — «сильнейший». В соединении OF₂ по инерции ставят кислороду минус, что является грубой ошибкой.

• Правило: Видишь фтор — кислород становится положительным (+2).

Проверка знаний: Степень окисления кислорода

Отметьте три утверждения, которые корректно описывают степени окисления и электронную природу кислорода (O).

Какие из перечисленных фактов являются химически точными?

1) Кислород всегда и во всех без исключения соединениях проявляет степень окисления −2.

2) В молекуле фторида кислорода (OF₂) кислород имеет положительную степень окисления +2, так как фтор более электроотрицателен.

3) В пероксидах, таких как H₂O₂ или Na₂O₂, степень окисления кислорода равна −1 из-за наличия связи O—O.

4) Степень окисления кислорода в простых веществах (O₂ и O₃) всегда равна нулю.

5) Высшая степень окисления кислорода равна +6, так как он находится в VI группе таблицы Менделеева.

6) Валентность кислорода и его степень окисления — это одно и то же понятие, всегда выражаемое числом 2.

Показать верные ответы и пояснения

Правильные ответы: 2, 3, 4

2) В молекуле OF₂ степень окисления равна +2.
Это верное и уникальное утверждение. Фтор — единственный элемент, который «сильнее» кислорода (выше по электроотрицательности), поэтому он забирает электроны себе, оставляя кислороду положительный заряд.

3) В пероксидах степень окисления равна −1.
Верно. Из-за мостика между двумя атомами кислорода (—O—O—) каждый атом тратит одну связь на соседа-близнеца, поэтому может «забрать» электрон только у одного внешнего партнера (например, у водорода).

4) В простых веществах (O₂, O₃) степень окисления всегда 0.
Это фундаментальное правило химии: в молекулах, состоящих из атомов одного элемента, электроны распределены поровну, и условный заряд равен нулю.

---

Не правильные ответы:

1) Всегда −2.
Это заблуждение. Как показано в ответах 2 и 3, существуют пероксиды и фториды, где это правило нарушается.

5) Высшая степень окисления +6.
Ошибка. Хотя кислород в VI группе, у него нет d-подуровня, чтобы «распарить» все электроны. Его максимум — это +2 (во фторидах).

6) Валентность и СО — это одно и то же.
Нет. Например, в перекиси водорода валентность кислорода II (две связи), а степень окисления −1. Это разные характеристики.

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы