Степень окисления и общая характеристика элементов по группам Периодической системы

I группа главная подгруппа – щелочные металлы

Литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций – типичные, самые активные металлы. Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ¹

 

Единственный электрон внешнего уровня легко уходит при образовании химической связи.

Единственная возможная степень окисления в соединениях +1.

Низшая степень окисления 0 – в простых веществах – металлах.

 

I группа побочная подгруппа (подгруппа меди) – металлы медь, серебро, золото

Электронная формула внешнего слоя:

 

(n –1) d ¹⁰ ns ¹

 

т.е. происходит перескок одного s -электрона на предвнешний d -подуровень. Заполненный d -подуровень обуславливает низкую реакционную способность этих металлов, подгруппу меди также называют благородными металлами. Наличие валентных d -электронов приводит к неоднозначной степени окисления в соединениях:

наиболее характерные степени окисления:

Cu +1, +2

Ag +1, +3

Au +1, +3

Низшая степень окисления 0 – в простых веществах – металлах.

 

II группа главная подгруппа – щелочноземельные металлы

Бериллий, магний, кальций, стронций барий и радий – типичные металлы, вниз по группе металлические свойства усиливаются.

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ²

 

Единственная возможная степень окисления в соединениях +2.

Низшая степень окисления 0 – в простых веществах – металлах.

 

II группа побочная подгруппа (подгруппа цинка) – металлы цинк, кадмий, ртуть.

Электронная формула внешнего слоя:

 

(n –1) d ¹⁰ ns ²

 

Это типичные металлы средней активности.

Цинк и кадмий имеют постоянную степень окисления +2.

Ртуть имеет две устойчивые степени окисления +1 и +2.

Низшая степень окисления 0 – в простых веществах – металлах.

 

III группа главная подгруппа – бор, алюминий, галлий, индий, таллий.

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ² np ¹

 

Бор в большинстве соединений имеет степень окисления +3

Алюминий имеет постоянную степень окисления +3.

Галлий, индий, таллий могут проявлять степени окисления от +1 и +3.

Низшая степень окисления 0 – для всех элементов подгруппы.

III группа побочная подгруппа – все элементы могут проявлять степени окисления от +1 и +3.

 

IV группа главная подгруппа – углерод, кремний, германий, олово, свинец.

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ² np ²

 

Для завершения внешнего слоя требуется или присоединить 4 электрона (степень окисления –4), или отдать 4 электрона (степень окисления +4). Следует помнить, что элементы-металлы могут только отдавать электроны, поэтому никогда не проявляют отрицательную степень окисления.

Для элементов IV группы достаточно устойчивой является и степень окисления +2. Кроме того, элемент углерод в органических соединениях обнаруживает любую (иногда и дробную) степень окисления в пределах от –4 до +4. Это говорит об ограничении в применении понятия «степень окисления» в ковалентных органических соединениях.

Наиболее характерные степени окисления:

C (неметалл) –4, 0, +2, +4 (возможна любая от –4 до +4)

Si (неметалл) –4, 0, +2, +4

Ge             –4, 0, +2, +4

Sn (металл) 0, +2, +4

Pb (металл) 0, +2, +4

 

IV группа побочная подгруппа – металлы титан, цирконий и гафний могут проявлять степени окисления от 0 и +4, последняя наиболее устойчива.

V группа главная подгруппа – азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.

 

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ² np ³

Наиболее характерные степени окисления:

N (неметалл, газ) –3, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (возможна любая от –3 до +5)

P (неметалл) –3, 0, +3, +5

As (неметалл) –3, 0, +3, +5

Sb (металл, амфотерный) 0, +3, +5

Bi (металл) 0, +3, +5

 

V группа побочная подгруппа – металлы ванадий, ниобий, тантал – могут проявлять степени окисления от 0 и +5, последняя наиболее устойчива.

 

VI группа главная подгруппа – кислород, сера, селен, теллур, полоний.

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ² np ⁴

 

а для элементов, кроме кислорода, присутствует предвнешний d -подуровень:

(n –1) d ⁰ ns ² np ⁴

 

Вступая в реакции, атомы серы, селена, теллура и полония могут переходить в возбужденное состояние – спаренные s - и p- электроныпереходят на свободный d -подуровень:

 

(n –1) d ¹ ns ² np ³

и

(n –1) d ² ns ¹ np ³

 

При перекрывании орбиталей, содержащих эти неспаренные электроны, образуются ковалентные связи и можно говорить о проявлении степени окисления +4 и +6.

Кислород, как элемент второго периода, не имеет свободного d -подуровня, поэтому его максимальная степень окисления +2 (проявляется только в соединении с фтором OF₂) т.е. не равна номеру группы.

Вниз по группе металлические свойства усиливаются, неметаллические – ослабевают. Кислород – газ, сера и селен – типичные неметаллы, теллур занимает промежуточное положение, чаще его относят к неметаллам, полоний металл.

Для неметаллов подгруппы характерна низшая степень окисления –2 (для завершения внешнего слоя требуется или присоединить 2 электрона).

Наиболее характерные степени окисления:

O (неметалл, газ) –2, –1, 0, +2

S (неметалл) –2, 0, +4, +6

Sе (неметалл) –2, 0, +4, +6

Те (неметалл) 0, +2, +4, +6

 

VI группа побочная подгруппа – металлы хром, молибден, вольфрам.

Наиболее характерные степени окисления:

Cr +2, +3, +4, +6

Mo, W +2, +3, +4, +5, +6

VII группа главная подгруппа – галогены, типичные неметаллы фтор, хлор, бром, йод и астат.

Электронная формула внешнего слоя:

 

ns ² np ⁵

 

для элементов, кроме фтора, присутствует предвнешний d -подуровень:

(n –1) d ⁰ ns ² np ⁵

Фтор – элемент с наибольшей электроотрицательностью, в соединениях может проявлять только отрицательную степень окисления –1. Максимальная степень окисления у фтора 0, т.е., как и у кислорода, не равна номеру группы.

Остальные галогены имеют вакантный d -подуровень, на который при образовании химической связи могут переходить спаренные s - и p- электроны:

(n –1) d ¹ ns ² np ⁴

 

(n –1) d ² ns ² np ³

 

(n –1) d ³ ns ¹ np ³

 

Таким образом, в возбуждённом состоянии атомы галогенов имеют не один, а три, пять и семь неспаренных электронов, поэтому в соединениях с более электроотрицательными элементами могут проявлять нечетные положительные степени окисления +1, +3, +5, +7.

Низшая степень окисления у всех галогенов –1 (для завершения внешнего слоя требуется или присоединить 1 электрон).

Возможные степени окисления (выделены более характерные):

F –1, 0

Cl –1, 0, +1, +3, +5, +7

Br –1, 0, +1, +3, +5, +7

I –1, 0, +1, +3, +5, +7

 

VII группа побочная подгруппа – металлы марганец, технеций и рений.

Наиболее характерные степени окисления:

Mn, Tc, Re 0, +2, +3, +4, +6, +7

 

VIII группа главная подгруппа – благородные газы гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Все они имеют заполненную внешнюю электронную оболочку:

 

ns ² np ⁶

 

поэтому не образуют соединений, и, соответственно, имеют степень окисления 0. При нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы.

 

VIII группа побочная подгруппа отличается от остальных – каждый период содержит не один, а три элемента этой подгруппы.

В VIII группе побочной подгруппе находятся типичные металлы. Обычно в ней выделяют триаду железа (железо, кобальт, никель) и платиновую группу (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина).

Триада железа: наиболее характерные степени окисления:

 

Fe 0, +2, +3, +4, +6

Co 0, +2, +3, +4

Ni 0, +2, +3, +4

 

Металлы платиновой группы Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt могут иметь различные степени окисления в соединениях, для Pt более характерными являются +2, +4, +6.