Тема 1. Основні поняття хімії. Будова атома. Хімічний звʼязок

матеріал 5

Ступінь окиснення. Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 5. Ступінь окиснення. Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: пригадати поняття ступеня окиснення, навчитися визначати ступені окиснення елементів у складних сполуках та складати формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, з яких вони утворені.

Очікувані результати для вчителя:

учні за положенням елементів у Періодичній таблиці прогнозують можливі значення їхніх ступенів окиснення
учні визначають ступені окиснення за хімічною формулою речовини
учні складають хімічні формули бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення елементів, що їх утворюють

Очікувані результати для учнівства:

правильно прогнозують можливі ступені окиснення для елементів за їхнім положенням у Періодичній таблиці
визначають ступені окиснення елементів у складі складних сполук та вміють складати формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, що їх утворюють

План уроку

Мотивація (3 хв.).
Визначаємо суть поняття ступеня окиснення (12 хв.).
Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення (до 12 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 3 хв.

У середині XIX століття неоціненну роль у розвитку хімічної науки зіграло поняття «валентність». У тому числі валентністю керувався Дмитро Менделєєв, розміщуючи символи елементів у комірки першого варіанту Періодичної таблиці. Проте, фізичний зміст валентності став відомим лише з розвитком електронної теорії будови атома. Валентністю почали вважати число електронів (неспарених електронів або неподільних електронних пар) у основному чи збудженому стані, які можуть брати участь в утворенні ковалентних зв’язків.

ФОТО з ВАЛЕНТНІСТЮ та ПИТАННЯ про НЕМОЖЛИВІСТЬ валентності 5 для НІТРОГЕНУ.

Завдання 1.

Розгляньте малюнок, на якому зображена структурна формула формульної одиниці тантал(V) броміду. Визначте валентність атома Танталу в такій сполуці. Чи відповідає зроблений вами висновок про валентність металічного елемента стехіометричній формулі броміду?

2. Визначаємо суть поняття ступеня окиснення

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 12 хв.

Із розвитком хімічних знань швидко з’ясувалося, що поняття валентності є досить обмеженим у використанні. Так,

атоми більшості елементів можуть утворювати різне число зв’язків з одними і тими ж атомами інших хімічних елементів в різних неорганічних сполуках (NO, NO₂ тощо);
нерідко дуже важко визначити валентність елементів, наприклад, у карбонілах d-елементів (Fe(CO)₅, Ni(CO)₄ тощо) або у боранах (B₂H₆, B₅H₉ тощо);
до сполук йонної будови або до інтерметалідів поняття валентності взагалі неможливо застосувати.

Тому для всіх сполук, незалежно від будови, застосовують більш універсальне поняття — ступінь окиснення.

Ступінь окиснення — це умовний заряд на атомі в молекулі або кристалі, обчислений із припущенням, що всі спільні електронні пари повністю зміщені в бік більш електронегативного елемента.

Ступені окиснення, які елементи можуть виявляти в різних сполуках, у більшості випадків можна визначити за будовою зовнішнього електронного рівня (детальніше розглядатимемо далі в курсі) або за положенням елемента в Періодичній системі.

Пригадайте! Як за положенням елемента у Періодичній таблиці зробити висновок про виявленням ним металічних чи неметалічних властивостей?

ВСТАВИТИ ТАБЛИЦЮ з МЕТАЛ/НЕМЕТАЛ

Атоми металічних елементів, утворюючи зв’язки з атомами інших елементів, тільки віддають електрони, а тому в сполуках виявляють лише позитивні ступені окиснення. Вищий ступінь окиснення металічного елемента зазвичай відповідає кількості електронів на зовнішньому (валентному) енергетичному рівні.

Завдання 2.

Визначте ступені окиснення металічного елемента в сполуках:

NaCl, CaH₂, KOH, AlBr₃, LiF, TiO₂, CrO₃, Mn₂O₇, ZnCl₂, Ba(OH)₂, ZrO₂, MgF₂

Атоми неметалічних елементів можуть виявляти як позитивний, так і негативний ступінь окиснення. Максимальний позитивний ступінь окиснення — вищий ступінь окиснення, як і для металічних елементів, дорівнює числу електронів на зовнішньому

енергетичному рівні: «номер групи мінус 10». У той час як нижчий — визначається тим, скільки електронів бракує атому, щоб на зовнішньому рівні їх було вісім: «номер групи мінус 18».

Завдання 3.

Прочитайте інші правила, якими варто керуватися при визначенні ступенів окиснення елементів у сполуках. Коротко поясніть походження кожного з правил.

Ступінь окиснення елементів у складі простої речовини дорівнює нулю.
Ступінь окиснення Флуору у складних речовинах завжди дорівнює «-1».
Гідроген у сполуках з металічними елементами має ступінь окиснення рівний «-1», а у сполуках з неметалічними елементами часто – «+1».
Оксиген у сполуках зазвичай має ступінь окиснення рівний «-2», за винятком сполук із Флуором, пероксидів тощо.
Сума ступенів окиснення усіх атомів у сполуці дорівнює нулю (принцип електронейтральності), а у йоні – його заряду.

Завдання 4.

Керуючись вище сформульованими правилами, визначте ступені окиснення елементів у бінарних сполуках:

MgCl₂, H₂S, Na₂O₂, FeO, OF₂, Li₃N, KI, BaS, HCl, CH₄, P₂O₅, SF₆, NH₃, ClF₅, SiH₄

3. Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 12 хв.

Застосовуючи принцип електронейтральності речовини можна не тільки визначати ступені окиснення елементів, але й складати формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, які утворюють ці сполуки. Сформулюємо алгоритм, яким керуватимемося при складанні таких хімічних формул:

Записуємо символи елементів зазвичай у порядку збільшення електронегативності. Пригадайте, як змінюється електронегативність елементів відповідно до їхнього положення у Періодичній таблиці.
Указуємо ступені окиснення з урахуванням електронегативності елементів: більш електронегативні елементи приєднують електрони, перетворюються на аніони й мають знак «–», а менш електронегативні — віддають електрони, перетворюються на катіони й мають знак «+».
Ступені окиснення записуємо над символами хімічних елементів.
Добираємо індекси з урахуванням нульового значення алгебраїчної суми ступенів окиснення всіх атомів у сполуці.

Наприклад, у натрій хлориді атом Натрію віддає 1 валентний електрон (більше на його зовнішньому енергетичному рівні електронів немає, він розміщений у 1-й групі) і перетворюється на катіон Na⁺. Атом Хлору приєднує 1 електрон (на його зовнішньому енергетичному рівні вже є 7 електронів; до завершення енергетичного рівня атому Хлору бракує лише одного електрона) і перетворюється на аніон Cl‾:

(1) $\begin{equation*}+1 \, \text{Na} \; -1 \, \text{Cl}\end{equation*}$

Позаяк сума ступенів окиснення усіх атомів Натрію дорівнює сумі ступенів окиснення усіх атомів Хлору, то індекси залишаємо одиницями.

Завдання 5.

Розгляньте приклад складання формули вищого оксиду Фосфору за відомими ступенями окиснення елементів.

Записуємо символи елементів: Р_О_.
Указуємо ступені окиснення з урахуванням електронегативності елементів:
- в Оксигену електронегативність більша, тому він приєднуватиме 2 електрони, яких йому бракує до завершення зовнішнього енергетичного рівня, а ступінь окиснення дорівнює –2.
- Фосфор віддаватиме 5 електронів, прагнучи набути завершеного зовнішнього енергетичного рівня, тому в атомі Фосфору ступінь окиснення становить +5.
Записуємо ступені окиснення над символами хімічних елементів:
(2) $\begin{equation*} +5P - 2O \end{equation*}$
Добираємо індекси з урахуванням нульового значення алгебраїчної суми ступенів окиснення всіх атомів у сполуці. приводимо наведені значення ступенів окиснення елементів до найменшого спільного кратного +/-10, для чого потрібно кожне зі значень домножити на свій множник, який і стане індексом у формулі бінарної сполуки:
(3) $\begin{equation*} +5P_{2} + 10 - 2O_{5} - 10 \end{equation*}$

Завдання 6.

Зважаючи на те, що у хлоридах атоми Хлору мають мінімальний ступінь окиснення, складіть формули хлоридів, у яких…

Купрум має ступінь окиснення +2___________________________________________
Хром має ступінь окиснення +3_____________________________________________
Фосфор має ступінь окиснення +5 __________________________________________
Титан має ступінь окиснення +4 _____________________________________________
Аргентум має ступінь окиснення +1_________________________________________

Завдання 7.

Складіть формули оксидів, у яких…

Ферум має ступінь окиснення +2 ____________________________________________
Хром має ступінь окиснення +6 _____________________________________________
Бісмут має ступінь окиснення +5 ____________________________________________
Цирконій має ступінь окиснення +4 _________________________________________
Хлор має ступінь окиснення +1 ______________________________________________
Нітроген має ступінь окиснення +3 __________________________________________
Манган має ступінь окиснення +7____________________________________________
Осмій має ступінь окиснення +8 _____________________________________________

4. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Виконуємо вправи і завдання.

4.1. Подумайте, що є спільного та відмінного між поняттями «валентність» та «ступінь окиснення». У якості звіту складіть діаграму Вена

4.2. Знайдіть та виправте помилки, допущені під час визначення ступенів окиснення елементів у бінарних сполуках:

$Ba^{+1}Cl^{-2}{2}, Fe^{+3}{2}O^{-2}{3}, Ca^{+1}O^{-1}, Cu^{-2}S^{+2}, Zn^{+4}Cl^{-2}{2},$

$K^{+1}Br^{-1}, Li^{+1}{2}O^{-2}, S^{+1}O^{-2}{2}, N^{+4}O^{-2}{2}, H^{+2}{2}O^{-2}_{2}$

4.3. Керуючись принципом електронейтральності речовин, визначте ступені окиснення елементів за хімічними формулами.

H₂SO₃, Na₃PO₄, HMnO₄, NH₄Cl, NaOH, Al₂(SO₄)₃, KNH₂, HNO₃, F₂, K₂MnO₄, O₂F₂, HNO₃

4.4. Складіть рівняння хімічних реакцій між простими речовинами.

__S + __F₂ → ___S__⁺⁶F__
__Ca + __Cl₂ → ___Ca__Cl__
__Al + __S → ___Al__S__^-2
__Fe + __Br₂ → ___Fe__⁺³Br__
__Li + __O₂ → ___Li__O__
__Mg + __N₂ → ___Mg__N__^-3

5. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Учні по черзі ланцюжком підсумовують вивчене одним словом, яке запам’ятали із сьогоднішнього уроку. Слово не має повторюватися.

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 5. Ступінь окиснення. Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Мета уроку: пригадати поняття ступеня окиснення, навчитися визначати ступені окиснення елементів у складних сполуках та складати формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, з яких вони утворені.

Очікувані результати для учнівства:

Я прогнозую можливі значення ступеня окиснення елемента за його положенням у Періодичній таблиці.
Я визначаю ступені окиснення елементів за хімічною формулою речовини.
Я складаю формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, з яких вони утворені.

План уроку

Мотивація (3 хв.).
Визначаємо суть поняття ступеня окиснення (12 хв.).
Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення (до 12 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

У середині XIX століття неоціненну роль у розвитку хімічної науки зіграло поняття «валентність». У тому числі валентністю керувався Дмитро Менделєєв, розміщуючи символи елементів у комірки першого варіанту Періодичної таблиці. Проте, фізичний зміст валентності став відомим лише з розвитком електронної теорії будови атома. Валентністю почали вважати число електронів (неспарених електронів або неподільних електронних пар) у основному чи збудженому стані, які можуть брати участь в утворенні ковалентних зв’язків.

ФОТО з ВАЛЕНТНІСТЮ та ПИТАННЯ про НЕМОЖЛИВІСТЬ валентності 5 для НІТРОГЕНУ.

Завдання 1.

Розгляньте малюнок, на якому зображена структурна формула формульної одиниці тантал(V) броміду. Визначте валентність атома Танталу в такій сполуці. Чи відповідає зроблений вами висновок про валентність металічного елемента стехіометричній формулі броміду?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Визначаємо суть поняття ступеня окиснення

Із розвитком хімічних знань швидко з’ясувалося, що поняття валентності є досить обмеженим у використанні. Так,

атоми більшості елементів можуть утворювати різне число зв’язків з одними і тими ж атомами інших хімічних елементів в різних неорганічних сполуках (NO, NO₂ тощо);
нерідко дуже важко визначити валентність елементів, наприклад, у карбонілах d-елементів (Fe(CO)₅, Ni(CO)₄ тощо) або у боранах (B₂H₆, B₅H₉ тощо);
до сполук йонної будови або до інтерметалідів поняття валентності взагалі неможливо застосувати.

Тому для всіх сполук, незалежно від будови, застосовують більш універсальне поняття — ступінь окиснення.

Ступінь окиснення — це умовний заряд на атомі в молекулі або кристалі, обчислений із припущенням, що всі спільні електронні пари повністю зміщені в бік більш електронегативного елемента.

Ступені окиснення, які елементи можуть виявляти в різних сполуках, у більшості випадків можна визначити за будовою зовнішнього електронного рівня (детальніше розглядатимемо далі в курсі) або за положенням елемента в Періодичній системі.

Пригадайте! Як за положенням елемента у Періодичній таблиці зробити висновок про виявленням ним металічних чи неметалічних властивостей?

ВСТАВИТИ ТАБЛИЦЮ з МЕТАЛ/НЕМЕТАЛ

Атоми металічних елементів, утворюючи зв’язки з атомами інших елементів, тільки віддають електрони, а тому в сполуках виявляють лише позитивні ступені окиснення. Вищий ступінь окиснення металічного елемента зазвичай відповідає кількості електронів на зовнішньому (валентному) енергетичному рівні.

Завдання 2.

Визначте ступені окиснення металічного елемента в сполуках:

NaCl, CaH₂, KOH, AlBr₃, LiF, TiO₂, CrO₃, Mn₂O₇, ZnCl₂, Ba(OH)₂, ZrO₂, MgF₂

Атоми неметалічних елементів можуть виявляти як позитивний, так і негативний ступінь окиснення. Максимальний позитивний ступінь окиснення — вищий ступінь окиснення, як і для металічних елементів, дорівнює числу електронів на зовнішньому

енергетичному рівні: «номер групи мінус 10». У той час як нижчий — визначається тим, скільки електронів бракує атому, щоб на зовнішньому рівні їх було вісім: «номер групи мінус 18».

Завдання 3.

Прочитайте інші правила, якими варто керуватися при визначенні ступенів окиснення елементів у сполуках. Коротко поясніть походження кожного з правил.

Ступінь окиснення елементів у складі простої речовини дорівнює нулю.
Ступінь окиснення Флуору у складних речовинах завжди дорівнює «-1».
Гідроген у сполуках з металічними елементами має ступінь окиснення рівний «-1», а у сполуках з неметалічними елементами часто – «+1».
Оксиген у сполуках зазвичай має ступінь окиснення рівний «-2», за винятком сполук із Флуором, пероксидів тощо.
Сума ступенів окиснення усіх атомів у сполуці дорівнює нулю (принцип електронейтральності), а у йоні – його заряду.

Завдання 4.

Керуючись вище сформульованими правилами, визначте ступені окиснення елементів у бінарних сполуках:

MgCl₂, H₂S, Na₂O₂, FeO, OF₂, Li₃N, KI, BaS, HCl, CH₄, P₂O₅, SF₆, NH₃, ClF₅, SiH₄

3. Складання формул бінарних сполук за відомими значеннями ступенів окиснення

Застосовуючи принцип електронейтральності речовини можна не тільки визначати ступені окиснення елементів, але й складати формули бінарних сполук за відомими ступенями окиснення елементів, які утворюють ці сполуки. Сформулюємо алгоритм, яким керуватимемося при складанні таких хімічних формул:

Записуємо символи елементів зазвичай у порядку збільшення електронегативності. Пригадайте, як змінюється електронегативність елементів відповідно до їхнього положення у Періодичній таблиці.
Указуємо ступені окиснення з урахуванням електронегативності елементів: більш електронегативні елементи приєднують електрони, перетворюються на аніони й мають знак «–», а менш електронегативні — віддають електрони, перетворюються на катіони й мають знак «+».
Ступені окиснення записуємо над символами хімічних елементів.
Добираємо індекси з урахуванням нульового значення алгебраїчної суми ступенів окиснення всіх атомів у сполуці.

Наприклад, у натрій хлориді атом Натрію віддає 1 валентний електрон (більше на його зовнішньому енергетичному рівні електронів немає, він розміщений у 1-й групі) і перетворюється на катіон Na⁺. Атом Хлору приєднує 1 електрон (на його зовнішньому енергетичному рівні вже є 7 електронів; до завершення енергетичного рівня атому Хлору бракує лише одного електрона) і перетворюється на аніон Cl‾:

(4) $\begin{equation*}+1 \, \text{Na} \; -1 \, \text{Cl}\end{equation*}$

Позаяк сума ступенів окиснення усіх атомів Натрію дорівнює сумі ступенів окиснення усіх атомів Хлору, то індекси залишаємо одиницями.

Завдання 5.

Розгляньте приклад складання формули вищого оксиду Фосфору за відомими ступенями окиснення елементів.

Записуємо символи елементів: Р_О_.
Указуємо ступені окиснення з урахуванням електронегативності елементів:
- в Оксигену електронегативність більша, тому він приєднуватиме 2 електрони, яких йому бракує до завершення зовнішнього енергетичного рівня, а ступінь окиснення дорівнює –2.
- Фосфор віддаватиме 5 електронів, прагнучи набути завершеного зовнішнього енергетичного рівня, тому в атомі Фосфору ступінь окиснення становить +5.
Записуємо ступені окиснення над символами хімічних елементів:
(5) $\begin{equation*} +5P - 2O \end{equation*}$
Добираємо індекси з урахуванням нульового значення алгебраїчної суми ступенів окиснення всіх атомів у сполуці. приводимо наведені значення ступенів окиснення елементів до найменшого спільного кратного +/-10, для чого потрібно кожне зі значень домножити на свій множник, який і стане індексом у формулі бінарної сполуки:
(6) $\begin{equation*} +5P_{2} + 10 - 2O_{5} - 10 \end{equation*}$

Завдання 6.

Зважаючи на те, що у хлоридах атоми Хлору мають мінімальний ступінь окиснення, складіть формули хлоридів, у яких…

Купрум має ступінь окиснення +2___________________________________________
Хром має ступінь окиснення +3_____________________________________________
Фосфор має ступінь окиснення +5 __________________________________________
Титан має ступінь окиснення +4 _____________________________________________
Аргентум має ступінь окиснення +1_________________________________________

Завдання 7.

Складіть формули оксидів, у яких…

Ферум має ступінь окиснення +2 ____________________________________________
Хром має ступінь окиснення +6 _____________________________________________
Бісмут має ступінь окиснення +5 ____________________________________________
Цирконій має ступінь окиснення +4 _________________________________________
Хлор має ступінь окиснення +1 ______________________________________________
Нітроген має ступінь окиснення +3 __________________________________________
Манган має ступінь окиснення +7____________________________________________
Осмій має ступінь окиснення +8 _____________________________________________

4. Практикуємось

4.1. Подумайте, що є спільного та відмінного між поняттями «валентність» та «ступінь окиснення». У якості звіту складіть діаграму Вена

4.2. Знайдіть та виправте помилки, допущені під час визначення ступенів окиснення елементів у бінарних сполуках:

$Ba^{+1}Cl^{-2}{2}, Fe^{+3}{2}O^{-2}{3}, Ca^{+1}O^{-1}, Cu^{-2}S^{+2}, Zn^{+4}Cl^{-2}{2},$

$K^{+1}Br^{-1}, Li^{+1}{2}O^{-2}, S^{+1}O^{-2}{2}, N^{+4}O^{-2}{2}, H^{+2}{2}O^{-2}_{2}$

4.3. Керуючись принципом електронейтральності речовин, визначте ступені окиснення елементів за хімічними формулами.

H₂SO₃, Na₃PO₄, HMnO₄, NH₄Cl, NaOH, Al₂(SO₄)₃, KNH₂, HNO₃, F₂, K₂MnO₄, O₂F₂, HNO₃

4.4. Складіть рівняння хімічних реакцій між простими речовинами.

__S + __F₂ → ___S__⁺⁶F__
__Ca + __Cl₂ → ___Ca__Cl__
__Al + __S → ___Al__S__^-2
__Fe + __Br₂ → ___Fe__⁺³Br__
__Li + __O₂ → ___Li__O__
__Mg + __N₂ → ___Mg__N__^-3

5. Рефлексія

Учні по черзі ланцюжком підсумовують вивчене одним словом, яке запам’ятали із сьогоднішнього уроку. Слово не має повторюватися.

У вільний від відпочинку час

Порівняйте поняття «ступінь окиснення» й «заряд йонів», склавши для них діаграми Венна.
За формулами речовин визначте ступені окиснення всіх хімічних елементів:
1. H₂, H₂O, HCl, NaOH, NaH;
2. OF₂, N₂O₅, H₂O₂;
3. HCl, Cl₂, CuCl₂, KClO₃;
4. N₂, N₂H₄, N₂O₃, HNO₃.
Для Нітрогену характерні сполуки, в яких атоми цього хімічного елемента виявляють найрізноманітніші ступені окиснення. Наведіть якнайбільше молекулярних формул таких сполук. Укажіть в них значення ступеня окиснення Нітрогену.

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе