Опыт изучения понятия «степень окисления» (в помощь молодому учителю)

Изучение понятия «степень окисления» мы проводим после озна­комления учащихся с электроотрицательностью (ЭО). При изучении этих понятий в традиционной последовательности  возникает ряд  методических затруднений.

Без знания электроотрицательности обучающиеся не могут понять при­чину поляризации связей, а, следовательно, правильно объяснить, по­чему образуются положительные и отрицательные заряды у атомов элементов. По рекомендациям учебника, положительный знак заряда следует приписывать тому атому элемента, который отдает электроны. Но это правило можно применить лишь к соединениям, образованным  металлами и неметаллами. В таких соединениях неметалл всегда имеет отрицательный заряд. Судить же о степени окисления в соединениях из двух неметаллов можно на основании учета одновременно двух свойств атома: насколько легко он отдает и принимает электроны. Именно оба эти свойства, как известно, определяют ЭО элемента. Если учитывать лишь одно свойство, то можно неправильно определить, степени окисления. Например, в соединении NC13, NBr3 и NI3. отрицательный заряд сосредоточен на атоме азота, а не на атомах галогенов, как, можно было бы предположить на основе сравнения одного свойства атомов азота и галогенов присоединять недостающие электроны. Такие же ошибки могут быть допущены и в других случаях, когда определяют степени окисления в кислородных соедине­ниях хлора, брома и йода, в сульфиде йода и др. При расстановке зарядов в формулах ковалентных соединений нужно знать не то, на­сколько атом легко отдает или присоединяет электроны, а именно его электроотрицательность.

Ознакомление обучающихся с понятием степени окисления мы начи­наем с его определения. Сообщаем, что под степенью окисления понимают заряд, который, возникает вследствие полного   (действительного или условного)  перехода электронов от одного атома к другому. На­пример, в соединениях

Fe+3Br3-,  S+6O3-2,  Zn+2O-2, H2+ S-2

заряды расставлены, исходя из предположения, что любое из, веществ, независимо от характера связей в нем, состоит из ионов.

Научиться правильно расставлять степени окисления означает ов­ладеть двумя умениями: безошибочно приписывать каждому атому эле­мента  сложного  вещества знаки  + или —  и  определять  величины зарядов.

Практика показывает, что одновременное формирование двух отмеченных умений идет, медленно. Успешнее оно проходит в том случае, если обучающиеся овладеют вначале умением расставлять знаки зарядов. С этой целью мы составляем ряд заданий, направленных на закрепление знаний об ЭО металлов и неметаллов. Например: на каких элементах сосредоточивается положительный заряд в соединениях

Na+Сl-,   Ba+2S-2,   Al2+3O3-2   

и др.? Почему? Выполнением этого задания стремимся закрепить в памяти обучающихся, что металлы во всех соединениях имеют положительный заряд.

Следующее задание включает вопросы, направленные на применение знаний о различной ЭО двух неметаллов, находящихся в одной группе или в одном периоде таблицы Менделеева. Например: какой из двух элементов более электроотрицателен: азот  или фосфор, бром или фтор, кислород или фтор?

После того как все обучающиеся станут правильно отвечать на подобные вопросы, мы переходим к рассмотрению более сложного задания,  предлагая  сравнить элементы, принадлежащие к различным  группам и периодам. Ответы на вторую группу вопросов обучающиеся смогут дать, пользуясь рядом ЭО, приведенным в учебнике. Во­просы мы формулируем по-разному, акцентируя внимание то на более электроотрицательном  элементе, то на менее  электроотрицательном. Например: какой из элементов более электроотрицателен: кислород или йод, сера или азот, углерод или фосфор? Какой элемент менее электроот­рицателен: кислород или азот, бром или фосфор, углерод или йод?

Выяснение знаний об ЭО неметаллов, а следовательно, подготовленность обучающихся к расстановке зарядов проводится по результатам выполнения следующего задания: подчеркните знаки тех элементов, на которых сосредоточен отрицательный заряд в соединениях: РH3, PC15, SF6, СO2, С12О7. Второй вариант выполняет подобное задание, подчеркивая электроположительный элемент в соеди­нениях: SO2, HF, NC13, OF2, Р2О5.

В конце занятия изученное обобщаем в виде следующих положений:

1. Любой  неметалл  более электроотрицателен,  чем  металл.  По­этому металлам в формулах соединений с другими элементами всегда приписывают положительный знак заряда.
2. Фтор — наиболее электроотрицательный неметалл. Поэтому во всех  соединениях   на  нем   сосредоточивается   только   отрицательный заряд.
3. За исключением фтора, все неметаллы могут иметь как отри­цательный, так и положительный заряд, что зависит от ЭО соединенных с ними элементов.

Умение определять величины степеней окисления относится к слож­ным умениям. Складывается оно из знаний о строении атомов и их свойствах, а также из умения применять математические действия.

Для определения степеней окисления, обучающиеся должны знать сле­дующие положения. Величина степени окисления атома простого ве­щества равна нулю, например:                           

Na°, C°,   Cl2°,   P4°,  Fe°,  S8°,  O2°.              

Атомы простого вещества не отличаются между собой ЭО. Величина положительной степени окисления металла равна количеству валентных электронов, которые атом отдает на образование ионов или ковалентных, связей:

Na+С1, Mg+2(NO3)2, Al+3Br3, Сг+603, Мn2+7О7,

Все неметаллы, за исключением наиболее электроотрицательного фтора, характеризуются несколькими значениями положительных и от­рицательных степеней окисления. Низшая (отрицательная) степень окисления неметалла равна количеству неспаренных электронов в ато­ме, например

HCl-, H2S-2, K3P-3, А14С3-4

Высшая (положительная) степень окисления неметалла равна количе­ству валентных электронов в атоме:

Р+5С15,  S+6O3,  Br2+7О7.

Фтор и кислород составляют исключение. Фтор не имеет положительных степеней окисления, а у кислорода в соединениях с фтором она не превышает +2. Все неметаллы имеют степени окисления, величина которых выражается промежуточными числами между высшими и низ­шими степенями окисления. Например, атом кислорода может иметь степени окисления -2, -1, 0, +1, +2.

Чтобы правильно судить о том, какая степень окисления из всех возможных будет у элемента в конкретном случае, обучающиеся должны знать, с чего начинается определение степеней окисления, какие мате­матические действия следует произвести, как проверить правильность выполненного задания и др. Эти знания они получают в процессе рас­смотрения конкретных примеров и разъяснений.         

Обучающиеся анализируют формулу (состав) вещества и устанавли­вают, на каких элементах сосредоточены положительные и отрицатель­ные заряды. В случае ВаS, FeI3, H2O2 электроотрицательный элемент расположен на втором месте. В первую очередь приписывают величину степени окисления тому элементу, у которого самый малый диапазон (количество) степеней окисления данного знака. Например, в формуле ВаS, лучше начинать с бария, так как он имеет только одну положи­тельную степень окисления +2. В соединении FeI3 таким элементом является йод, а в Н2О2 - водород (кислород имеет две отрицатель­ные степени окисления -2, -1). Если в формуле нет индексов, то вели­чина степени окисления определяемого элемента совпадает с величи­ной степени окисления рассмотренного элемента, например: Вa+2S-2. При наличии индексов в формуле поступают следующим образом:

• умножают индекс элемента на величину его степени окисления. Полученное произведение запоминают или записывают над чертой, про­веденной выше степени окисления: 

     —3        +2____

  Fe  I3-         H2+O2  

поскольку общий заряд вещества равен нулю, второму элементу при­писывают такое же количество зарядов с противоположным знаком:

+3—3          +2 —2

Fe   I3-         H2+  O2  

величину степени окисления второго, определяемого элемента находят делением общего количества зарядов на индекс:

+3—3           +2 —2

Fe+3 I3-           H2+O2-

Правильность вычисленных степеней окисления проверяют следую­щим образом. Знак и величина степени окисления должны быть про­верены с учетом ЭО и строения атомов. Для не­металлов диапазон степеней окисления находится в приведенной выше справочной таблице. Произведение индекса на степень окисления эле­мента с одним знаком заряда должно быть равно подобному произве­дению другого элемента с противоположным знаком заряда. Только при условии равенства отмеченных произведений общий заряд веще­ства будет равен нулю. Если вычисленная степень окисления превышает крайние значения, определяемые строением атома, то вычисление следует начинать с другого элемента данного соединения.

В примере               —4

                          H2+?O2-2

неправильно начато определение степеней окисления.

Для водорода она оказалась равной +2, т.е. несуществующей с точки зрения строения его атома.

Закрепление умения определять степени окисления мы проводим на формулах разнообразных бинарных соединений (Zn3N2, PBr3, C1F3, SO2, P2O3, O2F2, N2H4 и др.), в которых величина степени окисления выражается целыми числами.

Вычислять степень окисления по формулам ве­ществ, состоящих из трех элементов, мы начинаем при изучении классов кислот, оснований и солей. После записи формул H2SO4 и Na2СO3 предлагаем обучающимся сравнить ЭО эле­ментов каждого соединения. Наиболее электроотрицательным элемен­том в этих соединениях является кислород, а наименее электроотри­цательными - водород и натрий. На основании этого названным эле­ментам приписываем степени окисления и умножением их на индексы находим произведения:  

+2       —8

H2+  S ?O4-       

+2         —6

Na2+  C ?O3-2

Величину степени окисления атома серы  находим, исходя из знако­мого правила: сумма зарядов всех элементов данного вещества равна нулю. Сравнением величин положительных и отрицательных зарядов (+2, и -8) устанавливается знак и величина степени окисления атома серы в серной кислоте. Она равна +6. По аналогии находим степень окисления атома углерода в карбонате натрия. Она равна +4. Умение вы­числять степени окисления в сложных веществах, состоящих из трех элементов, обучающиеся отрабатывают на примерах CuSO4, H2SO3, LiNO3,  CaCO3,  Al2(SO4)3, KMnO4 и др.

Автор материала: Мухамедзянова Светлана Дмитриевна