Валентность и степень окисления углерода (C)

Теория:

Валентность и степень окисления углерода (C) — это способность элемента образовывать химические связи и приобретать соответствующий условный заряд в соединениях.

Углерод — это неметалл из IV группы, который наглядно демонстрирует, как переменная основная валентность приводит к широчайшему диапазону степеней окисления.

Его уникальность — в способности образовывать устойчивые цепи атомов и множественные связи.

Валентность углерода не является абсолютно фиксированной, хотя его максимум всегда IV.

V = IV (Четыре): Это основная валентность (например, в CH₄, CO₂). Углерод образует четыре связи.
V = II (Две): Это редкая валентность (например, в угарном газе CO).

Степень окисления углерода переменна и зависит от того, с чем он связан.

Диапазон СО Углерода является самым широким среди всех элементов: от -4 до +4.

СО = +4: Проявляется в соединениях с наиболее электроотрицательными элементами (например, в CO₂, CCl₄), где углерод отдает четыре электрона.

Зависимость степени окисления от валентности

Для углерода (C) зависимость между численным значением степени окисления (СО) и валентности (V) прямая в максимальных значениях, но крайне переменная в целом.

Являясь неметаллом IV группы, способен как отдавать, так и принимать электроны, но его особенность — способность к образованию множественных связей и устойчивых цепей (основа органической химии).

Его электронная конфигурация — 1s²2s²2p². На внешнем уровне находится 4 электрона.

Углерод может отдать, принять или обобществить все четыре электрона.

Валентность углерода (чаще всего IV, реже II) создает структурную основу — она определяет количество связей (четыре в большинстве случаев, как в CH₄ или CO₂).

Степень окисления (-4 до +4) реализует эту возможность в виде условного заряда, который зависит от соседа Углерода:

Если C связан с более электроотрицательными неметаллами (как O или F), он отдает электроны, и его СО становится положительной (до +4).

Если C связан с менее электроотрицательными элементами (как H или металлы в карбидах), он принимает электроны, и его СО становится отрицательной (до -4).

Таким образом, численное значение валентности (IV) совпадает с максимальными численными значениями СО (±4).

Однако, в отличие от Бора, Углерод может иметь любое промежуточное СО (например, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3) в органических соединениях.

Пример: в CO₂ (углекислый газ) V = IV и СО = +4; в CH₄ (метан) V = IV и СО = -4.

Валентность (V) углерода

Валентность Углерода (то есть, число химических связей, которые он может образовать) в подавляющем большинстве его соединений постоянна и равна IV (четырем).

Но также часто встречается и II (две).

Это обусловлено тем, что атом Углерода находится в IV группе и имеет четыре внешних электрона (2s² 2p²).

Для достижения стабильного состояния (октета) он всегда стремится использовать все эти четыре электрона для образования именно четырех связей.

➡️ Валентность IV (Четыре)

Используются четыре внешних электрона для формирования четырех связей.

Это основная валентность Углерода.

Четыре одинарные связи:

Пример: В углекислом газе (CO₂). Углерод связан с двумя атомами кислорода двумя двойными связями (O = C = O).

Одна тройная и одна одинарная связь:

Пример: В этине (ацетилене, C₂H₂). Один атом углерода связан с другим тройной связью (H—C≡C—H).

➡️ Исключение: Валентность II (Две)

Углерод может проявлять валентность II в специфических случаях, когда он не полностью использует все свои внешние электроны.

Пример: В угарном газе (CO). Углерод связан с одним атомом кислорода, используя только две ковалентные связи (одна из которых является донорно-акцепторной).

Валентность Углерода, таким образом, в большинстве его соединений равна IV (четырем), что делает его фундаментальным элементом органической химии, но может быть и II (двум).

Степень окисления (СО) углерода

Степень окисления показывает условный заряд атома, предполагая ионные связи.

Углерод, будучи чистым неметаллом, обладает средней электроотрицательностью, что позволяет его СО принимать широчайший диапазон значений — от -4 до +4.

Пример: CO₂ (Углекислый газ)

Рассмотрим, как определяется максимальная положительная СО Углерода в CO₂:

Кислород (O): Является более электроотрицательным элементом, чем C. В большинстве оксидов он всегда принимает два электрона. СО(O) = -2

Углерод (C): Так как O более электроотрицателен, чем C, Углерод отдает четыре электрона, чтобы компенсировать два атома O (так как (+4) + 2 × (-2) = 0). СО(C) = +4
✅ Обозначение

Показатель степени окисления над формулой:

C⁺⁴O₂^-2

Гибкость и Диапазон СО Углерода

Степень окисления Углерода (условный заряд) не связана напрямую с его валентностью, которая чаще всего равна IV.

Благодаря его средней электроотрицательности, СО всегда переменна.

Углерод является неметаллом, который может как отдавать, так и принимать электроны в зависимости от соседа, что обеспечивает ему диапазон от -4 до +4.

➡️ СО = +4: Максимальное положительное состояние

Это максимальное положительное состояние СО углерода, которое возникает, когда C связан с более электроотрицательными неметаллами (O, F, Cl).

Углерод условно отдает свои четыре валентных электрона.

➡️ СО = -4: Максимальное отрицательное состояние

Это максимальное отрицательное состояние, которое возникает, когда C связан с менее электроотрицательным Водородом или Металлами (карбиды).

Углерод выступает в роли принимающего электроны.

Таким образом, для целей химии диапазон от -4 до +4 отражает истинную химическую гибкость Углерода.

Валентность и степень окисления на примере

➡️ Валентность (V) Углерода в CO

Валентность показывает общее число связей.

Молекула CO имеет очень прочную связь, которая состоит из двух ковалентных связей и одной донорно-акцепторной связи (за счет неподеленной электронной пары Кислорода).

V(C) = III (Три) Атом Углерода (C) образует три связи с атомом Кислорода (O) — одна из которых является донорно-акцепторной.
V(O) = III (Три) Атом Кислорода (O) также проявляет валентность III.

➡️ Степень окисления (СО) углерода в CO

Степень окисления показывает условный заряд (куда смещены электроны). Кислород более электроотрицателен, чем Углерод.

Кислород (O): В оксидах его СО почти всегда -2. СО(O) = -2

Углерод (C): Определяется из условия нейтральности (СО(C) + СО(O) = 0): СО(C) + (-2) = 0, следовательно СО(C) = +2

➡️ Вывод: Расхождение V и СО в оксиде углерода CO

Наблюдается расхождение:

Валентность Углерода (V) = III
Степень Окисления Углерода (СО) = +2

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: