Алгоритм вычисления валентности элемента в соединении

Зачастую численные значения степени окисления и валентности совпадают. Однако в некоторых соединениях, например в простых веществах, их значения могут различаться.

Так, молекула азота образована двумя атомами азота, связанными тройной связью. Связь образована тремя общими электронными парами за счет присутствия трех неспаренных электронов на 2p-подуровне атома азота. То есть валентность азота равна трем. В то же время N2 — простое вещество, а значит, степень окисления этой молекулы равна нулю.

Аналогично, в молекуле кислорода валентность равна двум, а степень окисления — 0; в молекуле водорода валентность — I, степень окисления — 0.

Так же как в простых веществах, степень окисления и валентность часто отличаются в органических соединениях. Подробнее это будет рассмотрено в теме «ОВР в органической химии».

Для определения валентности в сложных соединениях сначала нужно построить структурную формулу. В структурной формуле одна химическая связь изображается одной «черточкой».

При построении графических формул нужно учитывать ряд факторов:

• В основаниях металл связан с водородом через кислород (гидроксогруппа).
• В кислотах атом водорода всегда связан с атомом кислорода (гидроксогруппа), а кислород, в свою очередь, — с атомом неметалла.
• В оксидах элементов кислород может служить «мостиком» между двумя атомами элемента.
• В пероксидах (перекисях) кислород также образует «кислородный мостик», состоящий из двух атомов кислорода –O–O– между двумя другими атомами, например структурная формула перекиси водорода выглядит следующим образом: H–O–O–H.
  
  

Тема:

ОВР в органической химии

Типы окислительно-восстановительных реакций в органической химии

Реакции горения

Определение

Горение - это физико-химический процесс взаимодействия веществ с окислителями, чаще всего с кислородом, в результате которого происходит превращение исходных веществ в продукты сгорания, и сопровождающийся интенсивным выделением теплового излучения и света. Светящаяся зона называется пламенем.

Горение органических веществ - окислительно-восстановительная реакция. Все органические вещества сгорают на воздухе с образованием углекислого газа CO2 и паров воды H2O. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С–С и С–Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

В условиях недостатка кислорода при горении может также образовываться угарный газ CO или элементарный углерод (сажа). Обычно, если органическое вещество содержит в своей структуре атомы азота, например амины, гетероциклические соединения и др., то в продуктах горения содержится молекулярный азот N2; если содержится хлор (хлорпроизводные), то в продуктах присутствует хлороводород HCl, если сера (тиолы, гетероциклы) – диоксид серы SO2.

Чем больше в молекуле атомов углерода, тем более коптящим будет пламя из-за неполного сгорания и образования твердых частиц углерода (сажи), и тем больше кислорода требуется на ее сгорание. Например, метан горит голубым, этиловый спирт - почти бесцветным, а бензол – желтым коптящим пламенем.

Уравнение реакции горения алканов в общем виде можно записать следующим образом:

CnH2n+2+3n+12O2→nCO2+(n+1)H2O+Q

Рассмотрим несколько примеров.

Задача 1

Написать уравнение реакции горения метана, рассчитать коэффициенты методом электронного баланса.

Решение

1.Напишем схему реакции горения метана. Как мы знаем, все углеводороды, не содержащие азота или других гетероатомов, сгорают с образованием углекислого газа и воды:

CH4+O2⟶CO2+H2O

2. Определим степени окисления (CО) элементов в соединениях алгебраическим методом:

В молекуле метана CH4 неизвестна СО углерода: CxH4+1, находим суммарный заряд на атомах водорода: 4∙(+1)=+4, следовательно, с противоположным знаком x=-4

В молекуле кислорода O2: простое вещество, следовательно СО равна нулю O20

В молекуле углекислого газа CO2 также находим СО углерода в молекуле: CxO2−2 как суммарный заряд на кислороде: 2 ∙(-2) =-4 с противоположным знаком x=+4

В молекуле воды степени окисления элементов постоянные: H2+O−2

3. Проставим найденные степени окисления в молекулах в уравнении реакции:

реакции:

C⁻⁴H4⁺¹+O₂⁰⟶C⁺⁴O₂⁻²+H2O

4. Определим, какие элементы поменяли степень окисления во время реакции:

C⁻⁴⟶C⁺⁴

O₂⁰⟶2O⁻²

5. Составим электронный баланс:

C⁻⁴−8e¯⟶C⁺⁴ | 4 | 1

O₂⁰+4e¯⟶2O⁻² | 8 | 2

Коэффициенты в балансе кратны 4-ем, поэтому сокращаем их, разделив на 4. В данной реакции углерод является восстановителем (отдает электроны), а кислород – традиционно окислителем (принимает электроны)

6. Выставляем полученные коэффициенты в уравнение реакции перед элементами, к которым они относятся:

C⁻⁴H₄⁺¹+2O₂⁰⟶C⁺⁴O₂⁻²+2H₂⁺O⁻²

Таким образом, на полное сгорание 1 моль метана требуется 2 моль кислорода.

 

 

Задача 2

Определить, на сгорание какого газа требуется больше кислорода: бутана или этана.

Решение

1. Напишем химические схемы горения этана и бутана. Алгоритм составления уравнений аналогичен предыдущей задаче:

C₂⁻³H₆⁺¹+O₂⁰⟶C+4O₂⁻²+H₂⁺O⁻²

C₄^−xH₁₀⁺¹+O₂⁰⟶C⁺⁴O₂⁻²+H₂⁺O⁻²

2. Особо следует остановиться на определении степени окисления углерода в молекуле бутана.

В молекуле бутана (CH3−CH2−CH2−CH3) каждый атом водорода имеет степень окисления «+1», крайние атомы углерода имеют степени окисления «-3», центральные атомы угле рода имеют степени окисления «-2» (см. условный метод нахождения СО). Суммарный заряд на атомах углерода равен алгебраической сумме: (-3)∙2 +(-2)∙2= -10.

3. Составляем балансы для обоих уравнений:

C⁻³−7e¯→C⁺⁴ | 4

O₂⁰+4e¯→2O⁻² | 7

(C₄)⁻¹⁰−26e¯→4C⁺⁴ | 4 | 2

O₂⁰+4e¯→2O⁻² | 26 | 13

В данных реакциях углерод – восстановитель, а кислород - окислитель.

4. Заносим коэффициенты в уравнения реакций:

2C₂⁻³H₆⁺¹+7O₂⁰⟶4C⁺⁴O₂⁻²+6H₂⁺O⁻²

2C₄¹⁰H₁₀⁺¹+13O₂⁰⟶8C⁺⁴O₂⁻²+10H₂⁺O⁻²

Таким образом, получаем, что на полное сгорание 2 моль этана требуется 7 моль кислорода (или 1:3,5), а на сгорание 2 моль бутана - 13 моль кислорода (или 1:7,5).