Ступінь окиснення: як визначити за формулою

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в молекулі або формульній одиниці, який виникає за уявного припущення, що всі електрони ковалентних зв’язків повністю змістилися до електронегативнішого елемента. На відміну від реального заряду простого йона (Ca²⁺, Cl⁻), ступінь окиснення не завжди існує як справжній електричний заряд — це розрахункова величина, яка допомагає аналізувати окисно-відновні реакції.

Позначають ступінь окиснення арабською цифрою зі знаком перед нею: +1, −2, +3 тощо. Валентність записують римськими цифрами без знака (I, II, III), і вона показує число хімічних зв’язків, а не умовний заряд.

Основні правила для ступеня окиснення

Зверни увагу на винятки: Оксиген не завжди має ступінь −2. У пероксидах (H₂O₂, Na₂O₂) він дорівнює −1, а в сполуці з Флуором OF₂ — навіть +2, бо Флуор електронегативніший. Гідроген у гідридах металів (NaH, CaH₂) набуває ступеня −1, тому що метал менш електронегативний і віддає електрони.

Запам’ятай: Флуор у сполуках завжди має ступінь окиснення −1. Він найелектронегативніший елемент, тому в жодній сполуці не може мати додатного значення (крім простої речовини F₂, де ступінь 0).

Найважливіше правило, яке дає змогу обчислити невідомий ступінь окиснення: у нейтральній молекулі або формульній одиниці сума ступенів окиснення всіх атомів дорівнює нулю, а в складному йоні — заряду цього йона. Кожен індекс у формулі множить ступінь окиснення відповідного елемента.

Як скласти рівняння

Познач невідомий ступінь окиснення змінною (наприклад, x). Запиши суму: (ступінь елемента A) · (індекс A) + (ступінь елемента B) · (індекс B) + … = 0 (або заряд йона). Розв’яжи рівняння.

Приклади обчислень

Особливий випадок: NH₄NO₃

Амоній нітрат NH₄NO₃ містить два різних йони: катіон амонію NH₄⁺ і нітрат-аніон NO₃⁻. Нітроген входить до обох йонів, але в різному оточенні, тому має різні ступені окиснення. Не можна обчислювати «середнє» значення для всіх атомів N — це хімічно безглуздо.

Для NH₄⁺: x + 4·(+1) = +1 → x = −3. Отже, Нітроген у катіоні амонію має ступінь −3.

Для NO₃⁻: y + 3·(−2) = −1 → y = +5. Нітроген у нітрат-йоні має ступінь +5.

Якби хтось спробував обчислити «середній» ступінь для NH₄NO₃ як для цілої формульної одиниці: 2x + 4·(+1) + 3·(−2) = 0 → 2x − 2 = 0 → x = +1. Це число (+1) не відповідає жодному з реальних станів Нітрогену в цій сполуці й не дає правильної інформації про хімічну поведінку.

Для неметалічних елементів головних підгруп існує закономірність: найвищий ступінь окиснення збігається з номером групи (у короткій формі періодичної системи), а найнижчий дорівнює номеру групи мінус 8. Це дає межі можливих значень, але не гарантує, що всі проміжні ступені реально існують у стійких сполуках.

Винятки: Оксиген і Флуор

Групове правило не працює для Оксигену (група VI) і Флуору (група VII). Не приписуй їм ступенів +6 і +7 відповідно!

• Флуор у сполуках завжди має ступінь −1. Його найвищий ступінь у сполуках — −1, а не +7.

• Оксиген у сполуках здебільшого має ступінь −2. Винятки: −1 у пероксидах (H₂O₂) і +2 у флуориді OF₂. Ніколи не приписуй Оксигену +6.

• У простих речовинах (O₂, O₃, F₂) обидва мають ступінь 0.

Перевірка сумою й електронегативністю

Якщо сумніваєшся, який ступінь окиснення має елемент, завжди використовуй перевірку сумою. Також зіставляй електронегативності: додатний ступінь має менш електронегативний елемент, від’ємний — більш електронегативний.

Наприклад, у H₂O₂ Оксиген має валентність II (утворює два зв’язки), а ступінь окиснення −1. Це не збігається з валентністю, бо ступінь окиснення — умовний заряд, а не число зв’язків.

Від ступенів окиснення до формули

Знаючи ступені окиснення, можна скласти формулу бінарної сполуки. Підбери найменші цілі індекси так, щоб сума ступенів дорівнювала нулю. Наприклад, Ферум має ступінь +3, Оксиген −2: найменше спільне кратне 6, тому Fe₂O₃ (2·(+3) + 3·(−2) = 0).

Приклад 1. Логічні пари: ступінь окиснення Сульфуру

Установи відповідність між формулою сполуки та ступенем окиснення Сульфуру в ній.

Розв’язання:

• SO₂: x + 2·(−2) = 0 → x = +4. Відповідає варіанту Г.

• H₂S: 2·(+1) + x = 0 → x = −2. Відповідає варіанту А.

• SO₃: x + 3·(−2) = 0 → x = +6. Відповідає варіанту Д.

Ключ: 1 → Г, 2 → А, 3 → Д. Варіанти Б (0) і В (+2) зайві.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: ступінь окиснення N у NH₄⁺

Визнач ступінь окиснення Нітрогену в йоні амонію NH₄⁺.

Розв’язання: Складаємо рівняння суми ступенів окиснення для йона. Нехай ступінь Нітрогену — x. Гідроген має +1, індекс 4. Заряд йона +1.

x + 4·(+1) = +1 → x + 4 = +1 → x = −3.

Правильна відповідь: −3.

Чому інші варіанти неправильні:

• −4 — типова помилка: забувають урахувати заряд йона (+1) і прирівнюють суму до нуля: x + 4 = 0 → x = −4.

• +3 — переплутано знак: у йоні амонію Нітроген має ступінь −3, а +3 він має, наприклад, у нітритній кислоті HNO₂.

• +5 — вищий ступінь Нітрогену, який не відповідає йону амонію.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: ряд ступенів окиснення Оксигену

У якому рядку правильно вказано ступені окиснення Оксигену в сполуках OF₂, H₂O₂, O₂ (у такому порядку)?

Розв’язання:

• OF₂: Флуор має −1, тому 2·(−1) + x = 0 → x = +2.

• H₂O₂: це пероксид, Оксиген має −1. Перевірка: 2·(+1) + 2·x = 0 → 2x = −2 → x = −1.

• O₂: проста речовина, ступінь 0.

Правильний ряд: +2, −1, 0.

Типові помилки:

• Вважати Оксиген у H₂O₂ −2 (як у звичайному оксиді) — неправильно, бо це пероксид.

• Плутати валентність зі ступенем: у H₂O₂ валентність Оксигену II, а ступінь −1.

• Приписувати Оксигену в OF₂ −2, ігноруючи, що Флуор електронегативніший.

• Прирівнювати суму ступенів у складному йоні до нуля. У нейтральній молекулі сума дорівнює 0, а в йоні — його заряду. Наприклад, для SO₄²⁻ рівняння: x + 4·(−2) = −2, а не 0.

• Забувати індекси у формулах. У Cr₂O₇²⁻ два атоми Хрому, тому рівняння: 2x + 7·(−2) = −2, а не x + 7·(−2) = −2. Інакше отримаєш x = +12, що неможливо.

• Надавати всім атомам Нітрогену в NH₄NO₃ одного середнього значення. Середнє +1 не описує хімічних станів: у NH₄⁺ ступінь N = −3, у NO₃⁻ ступінь N = +5. Рахуй окремо для кожного йона.

• Вважати Оксиген завжди −2, а Гідроген завжди +1. Оксиген у пероксидах має −1, у OF₂ — +2. Гідроген у гідридах металів (NaH, CaH₂) має −1.

• Визначати найвищий ступінь Флуору за номером групи. Флуор — група VII, але його найвищий ступінь у сполуках −1, а не +7. Групове правило не працює для F і O.

• Плутати валентність зі ступенем окиснення. Валентність — число зв’язків (без знака), ступінь окиснення — умовний заряд (зі знаком). У H₂O₂ валентність Оксигену II, а ступінь −1.

Тема «Ступінь окиснення» входить до теми 1.3 програми НМТ з хімії. У демонстраційному варіанті 2026 року, зокрема в завданні № 6, знання ступенів окиснення потрібне для визначення окисника в реакції, хоча складання електронного балансу належить до окремої теми.

Формати завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18. Кожне оцінюється в 0 або 1 бал.

• Логічні пари (завдання 19–20): три елементи лівої колонки (1–3) потрібно зіставити з п’ятьма варіантами правої (А–Д). Дві букви зайві. За кожну правильно встановлену пару — 1 бал, максимум 3 бали за завдання.

Стратегія розв’язання

1. Спочатку визнач сталі ступені окиснення: F (−1), лужні метали (+1), Mg, Ca (+2), Al (+3).

2. Потім запиши рівняння суми для нейтральної молекули (сума = 0) або йона (сума = заряд).

3. Підстав відомі значення з урахуванням індексів і розв’яжи рівняння.

4. Перевір результат: чи не суперечить він виняткам (O, H, F) і груповим межам.

Пам’ятай: завдання на ступінь окиснення можуть поєднуватися з іншими темами — класифікацією оксидів, окисно-відновними реакціями, складанням формул сполук. Уміти швидко й безпомилково визначати ступені — базова навичка для всього курсу хімії.

• Сума ступенів окиснення в нейтральній формулі дорівнює 0, у складному йоні — його заряду.

• Прості речовини (H₂, O₂, O₃, P₄, Fe, Cl₂) мають ступінь окиснення 0.

• Флуор у сполуках завжди −1.

• Оксиген звичайно −2, але в пероксидах −1, а в OF₂ +2.

• Гідроген звичайно +1, але в гідридах металів (NaH, CaH₂) −1.

• У сполуці з різними йонами однакового елемента (NH₄NO₃) рахуй ступінь окремо для кожного йона.

• Групове правило (найвищий ступінь = номер групи) не працює для O і F.

• Валентність і ступінь окиснення — різні поняття: валентність без знака, ступінь — зі знаком.