Степень окисления хлора

Теория:

Хлор проявляет переменные степени окисления в диапазоне от −1 до +7.

Так как это обусловлено его положением в 17‑й группе (VIIA)

Периодической системы и электронной конфигурацией 3s² 3p⁵.

Его высокая электроотрицательность (3,16) заставляет его притягивать один электрон, чтобы стать стабильным ионом Cl⁻ (это -1).

Однако, наличие свободных 3d-орбиталей (что объясняется квантовыми числами n=3, l=2) позволяет хлору распаривать свои электроны и использовать их все для связей с более электроотрицательными атомами (Кислородом или Фтором).

Именно это дает ему возможность достигать всех положительных степеней окисления, вплоть до +7.

Почему степень окисления может быть отрицательной (−1)

Электроотрицательность хлора ≈ 3,16 (по Полингу) — одна из самых высоких среди элементов.

Задача атома: получить 1 электрон для завершения внешнего электронного слоя (достижения конфигурации аргона).

Результат: в соединениях с менее электроотрицательными элементами (например, Na в NaCl или H в HCl) хлор притягивает электрон, приобретая степень окисления −1.

Следствие: −1 — низшая степень окисления хлора, типичная для хлоридов.

Почему степень окисления может быть положительной (+1, +3, +5, +7)?

Положительные степени окисления возникают, когда хлор связывается с более электроотрицательными элементами — прежде всего с кислородом (ЭО ≈ 3,44) и фтором (ЭО ≈ 4,0).

Механизм: при возбуждении электроны с 3s‑ и 3p‑орбиталей «распариваются» и переходят на свободные 3d‑орбитали (n = 3, l = 2).

Это увеличивает число неспаренных электронов:

1 неспаренный → СО = +1;
3 неспаренных → СО = +3;
5 неспаренных → СО = +5;
7 неспаренных → СО = +7.

Следствие: +7 — высшая степень окисления хлора (например, в HClO₄).

Примечание: хотя теоретически возможны и чётные степени окисления (+2, +4, +6), они крайне редки и неустойчивы (например, ClO₂ — оксид хлора(IV), где Cl имеет СО = +4).

Хотя и находиться в одной группе с элементами, однако валентность хлора — это ключевое свойство, отличающее его химическую природу.

Влияние электроотрицательности (ЭО)

Электроотрицательность — ключевой фактор, определяющий степень окисления хлора:

Если ЭО партнёра < ЭО(Cl): хлор притягивает электрон → СО = −1 (NaCl, HCl).

Если ЭО партнёра > ЭО(Cl) (O, F): хлор отдаёт электроны → положительные СО (+1 … +7).

В молекуле Cl₂: СО = 0 (одинаковая ЭО у обоих атомов).

Квантово‑механическое обоснование (почему возможны СО > −1?)

Возможность положительных степеней окисления объясняется электронной структурой и наличием свободных d‑орбиталей:

Валентные электроны: 7 электронов на 3s² 3p⁵.

Свободные орбитали: на третьем энергетическом уровне (n = 3) есть незаполненные 3d‑орбитали (l = 2).

Возбуждение: при образовании связей электроны могут переходить на 3d‑орбитали.

Увеличивая число неспаренных электронов и позволяя хлору формировать до 7 ковалентных связей.

Электронная конфигурация элемента одна из важных причин для объяснения (СО). Чтобы увидеть это наглядно подробно изучите электронную формулу хлора.

Примеры соединений с разными степенями окисления хлора

−1: NaCl (хлорид натрия), HCl (хлороводород);

0: Cl₂ (молекулярный хлор);

+1: HClO (хлорноватистая кислота), NaClO (гипохлорит натрия);

+3: HClO₂ (хлористая кислота), NaClO₂ (хлорит натрия);

+5: HClO₃ (хлорноватая кислота), KClO₃ (хлорат калия);

+7: HClO₄ (хлорная кислота), KClO₄ (перхлорат калия).

Вывод

Диапазон СО хлора: от −1 до +7 (преимущественно нечётные значения).

−1 — низшая степень окисления, типична для соединений с металлами и водородом.

+1 … +7 — положительные степени окисления, возникают при взаимодействии с O и F.

0 — степень окисления в простом веществе (Cl₂).

Обоснование: электронная конфигурация (3s² 3p⁵) и наличие свободных 3d‑орбиталей позволяют хлору проявлять разнообразные степени окисления.

Электроотрицательность (3,16) — главный фактор, определяющий окислительно‑восстановительные свойства хлора.

Хлор — высоко электроотрицательный элемент с переменной степенью окисления.

Его способность к возбуждению и использованию d‑орбиталей объясняет широкий диапазон СО от −1 до +7.

В природе и химии наиболее распространены соединения с СО = −1, +1, +5 и +7.

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение KClO₄ (перхлорат калия)

⌕ Найти:

Степень окисления Cl (СО) в этом соединении.

✨ Решение:

Известны постоянные (или типичные) степени окисления:

калий (K) всегда +1;
кислород (O) в оксидах и оксоанионах обычно −2.

Запишем уравнение баланса зарядов для KClO₄ (сумма степеней окисления всех атомов равна 0, так как молекула нейтральна):

(+1) + x + 4 ⋅ (−2) = 0,

где x — степень окисления хлора (Cl).

Решаем уравнение:

1 + x − 8 = 0

x − 7 = 0

x = +7.

✅ Ответ:

Степень окисления хлора в соединении KClO₄ (перхлорат калия) равна +7.

Для полноценного понимания атомного строения, физических свойств и применения, переходите к нашей главной статье: хлор химический элемент.

Часто задаваемые вопросы:

Какая самая распространённая степень окисления хлора?

−1, потому что хлор легко принимает 1 электрон, завершая внешний электронный слой (конфигурация благородного газа). Типичные соединения: NaCl, HCl.

Может ли хлор иметь положительные степени окисления? Какие?

Да, +1, +3, +5, +7, при взаимодействии с более электроотрицательными элементами (O, F) хлор отдаёт электроны.

Почему хлор не проявляет чётные положительные степени окисления (+2, +4, +6) в устойчивых соединениях?

Из‑за электронной конфигурации (3s²3p⁵) и механизма возбуждения.

При возбуждении электроны распариваются так, что число неспаренных электронов становится нечётным (1, 3, 5, 7).

Чётные степени окисления возможны лишь в нестабильных молекулах (например, ClO₂, где Cl = +4), но не в устойчивых ионах.