Степень окисления углерода (С): примеры соединений, валентность и электронное строение

Теория

Углерод (C) — ключевой химический элемент 14‑й группы, располагающийся во 2‑м периоде. Он является основой всей органической жизни и обладает уникальной способностью образовывать длинные цепи и циклы.

В отличие от бора, углерод проявляет гораздо более широкий спектр состояний.

Его степени окисления варьируются от −4 до +4, что позволяет ему выступать как в роли мощного восстановителя, так и окислителя.

Атомы углерода образуют прочные ковалентные связи. Благодаря средней электроотрицательности, углерод может как притягивать электронную плотность от металлов и водорода, так и отдавать её более активным неметаллам (кислороду, фтору).

Его электронная конфигурация 1s² 2s² 2p² определяет его химическое поведение:

Наличие четырех валентных электронов позволяет образовывать четыре химические связи (состояние +4);
Способность к гибридизации (sp, sp², sp³) объясняет разнообразие геометрии его молекул и соединений.

Отсутствие d-подуровня во втором периоде ограничивает максимальную валентность углерода числом 4, однако этого достаточно для создания миллионов уникальных веществ.

Рис. Диапазон степени окисления углерода от −4 до +4. На распределение электронов влияют положение элемента в 14-й группе ПС, значение электроотрицательности (2,55) и тип химической связи в соединениях.

Содержание страницы

Как определить степень окисления углерода

Определение степени окисления углерода (C) может быть сложнее, чем у бора, из-за обилия органических соединений, где атомы углерода могут иметь разные заряды в одной молекуле.

Чтобы правильно определить заряд, необходимо опираться на пять факторов:

По таблице Менделеева (границы группы).
По валентности (число связей).
По химическому соединению (алгебраический расчет).
По электронной конфигурации (возбужденное состояние).
По электроотрицательности (сравнение с партнерами).

По таблице Менделеева (границы)

Углерод (C) в Периодической системе находится в 14‑й группе. Это определяет его положение как «середины» периода.

Высшая степень окисления: равна номеру группы (4) — +4. Характерна для углекислого газа и карбонатов.
Низшая степень окисления: (4 − 8) = −4. Проявляется в метане и карбидах металлов.

По валентности (число связей)

Валентность углерода почти во всех стабильных соединениях равна IV. Однако степень окисления при этом может быть разной:

В метане (CH₄) валентность IV, а степень окисления −4.
В углекислом газе (CO₂) валентность IV, а степень окисления +4.

По химическому соединению (расчёт через X)

Метод суммы зарядов (сумма всегда равна 0).

Возьмем глюкозу C₆H₁₂O₆. Водород (+1), кислород (−2).
Уравнение: 6x + (12 · 1) + (6 · −2) = 0 → 6x + 12 − 12 = 0 → x = 0.
Средняя степень окисления углерода в глюкозе равна 0.

По конфигурации (валентные электроны)

Внешний слой углерода — 2s² 2p².

Электронная формула углерода (С): подробный разбор конфигурации атома, распределение электронов по уровням и квантовые числа.

По электроотрицательности

Значение ЭО углерода — 2.55.
— В паре с водородом (ЭО 2.2) углерод — отрицателен.
— В паре с кислородом (ЭО 3.44) углерод — положителен.

**Сводная таблица степеней окисления углерода**
Степень	Химическая роль	Примеры соединений
−4	Окислитель (в метанидах)	CH₄, Al₄C₃
+2	Восстановитель	CO (угарный газ), CHCl₂
+4	Высшая степень окисления	CO₂, H₂CO₃, CCl₄

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Химическое соединение: CaCO₃ (Мрамор / Кальцит).

⌕ Найти:

Определите степень окисления углерода.

✨ Решение:

Кальций (Ca) — металл II группы, СО = +2. Кислород (O) = −2.

Уравнение: (+2) + x + (3 · −2) = 0 → 2 + x − 6 = 0 → x = +4.

✅ Ответ:

Степень окисления углерода в CaCO₃ равна +4.

Углерод химический элемент: атомное строение, физические свойства, реакционная способность и роль в современной полупроводниковой промышленности.

Часто задаваемые вопросы

Какие основные степени окисления углерода?

Основные значения: −4, 0, +2 и +4. В органической химии встречаются и промежуточные значения (например, −1, −2, −3) в зависимости от окружения атома.

Как определить степень окисления элемента?

Нужно из суммы зарядов известных элементов (O = −2, H = +1) вычислить остаток, необходимый для обнуления молекулы.

Номер группы обычно указывает на максимально возможный положительный заряд.

Может ли углерод иметь дробную степень окисления?

Да, в сложных органических молекулах расчетная (средняя) степень окисления может быть дробной, хотя каждый отдельный атом всегда имеет целое число электронов.