Задание 3 ЕГЭ по химии: степень окисления, валентность, электроотрицательность

Что проверяет задание

Задание 3 проверяет умение работать с тремя связанными, но разными понятиями: электроотрицательностью, степенью окисления (СО) и валентностью. Конкретно от школьника требуется:

• находить степень окисления элемента в молекуле или ионе по формуле вещества;
• определять высшую и низшую возможные степени окисления элемента по его положению в периодической таблице;
• сравнивать несколько элементов и находить среди них такие, у которых совпадает СО в однотипных кислородсодержащих анионах;
• понимать общий вид формулы иона, например $ЭO_x^{z-}$, и уметь подставлять в неё разные значения $x$.

Задание не требует знания химических свойств веществ — только арифметику с зарядами и знание строения таблицы Менделеева.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Задание 3 относится к части 1 экзамена, оценивается в 1 балл, ответ — краткий, обычно это последовательность из двух цифр (номеров элементов из предложенного ряда). Типичная формулировка: «Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в анионах с общей формулой... могут иметь одинаковую степень окисления. Запишите номера выбранных элементов». В ряду обычно даны 5 элементов, часть из которых — заведомо «не подходящие» (для отвлечения внимания). Порядок цифр в ответе, как правило, не важен — засчитываются оба варианта записи (например, 14 и 41).

Что нужно знать

• Электроотрицательность — способность атома в соединении притягивать к себе электроны; в периоде растёт слева направо, в группе — снизу вверх.
• Степень окисления (СО) — условный заряд атома, если считать все связи ионными. Для нейтральной частицы сумма СО всех атомов равна нулю: $\sum_i n_i \cdot CO_i = 0$. Для иона сумма СО равна заряду иона: $\sum_i n_i \cdot CO_i = z$.
• Валентность — число химических связей, которые образует атом; она не имеет знака и не всегда численно совпадает с СО (например, в $NH_3$ валентность азота 3, а СО равна $-3$; в $N_2$ валентность 3, СО равна 0).
• Типичные постоянные СО: кислород $-2$ (кроме пероксидов $-1$ и $OF_2$, где $+2$); водород $+1$ (кроме гидридов активных металлов, где $-1$); фтор всегда $-1$.
• Высшая степень окисления элемента главной подгруппы численно равна номеру группы $N$: $CO_{max} = N$.
• Низшая степень окисления неметалла равна $CO_{min} = N - 8$.
• Разница между высшей и низшей СО у типичных неметаллов постоянна: $CO_{max} - CO_{min} = N - (N-8) = 8$.
• Для аниона общего вида $ЭO_x^{z-}$ степень окисления центрального атома находится из уравнения $CO(Э) + x\cdot(-2) = -z$, откуда $CO(Э) = 2x - z$.
• Элементы одной главной подгруппы (например, S и Se, Cl и Br) часто способны образовывать анионы одинакового строения с одинаковой высшей СО, но у d-элементов (Cr, Mn) высшие СО могут совпадать с СО элементов главных подгрупп, хотя номер группы формально другой (историческая нумерация VI и VII группы для Cr и Mn).

Методы решения

1. Метод баланса зарядов. Составляется уравнение суммы СО, равное заряду частицы, и решается относительно неизвестной СО. Пример: определить СО азота в $HNO_3$. $CO(H) + CO(N) + 3\cdot CO(O) = 0 \Rightarrow (+1) + CO(N) + 3\cdot(-2) = 0 \Rightarrow CO(N) = +5$.

2. Метод "номер группы — диапазон СО". Зная номер группы элемента, сразу называем высшую и низшую возможные СО без вычислений. Пример: сера в VI группе, значит $CO_{max}=+6$, $CO_{min}=6-8=-2$; разница равна 8.

3. Метод общей формулы иона. Для анионов вида $ЭO_x^{z-}$ используем формулу $CO(Э)=2x-z$, подставляя конкретные $x$ и $z$ из условия. Пример: для иона $CO_3^{2-}$ ($x=3$, $z=2$): $CO(C) = 2\cdot3-2 = +4$.

4. Метод сравнения аналогов по группе. Если два элемента находятся в одной подгруппе или образуют анионы одинакового строения, у них может совпадать СО. Пример: сера в $SO_4^{2-}$ имеет $CO=+6$, хром в $CrO_4^{2-}$ также имеет $CO=+6$ — совпадение, хотя S и Cr в разных подгруппах, но образуют анион одного вида.

5. Метод разграничения валентности и СО. Если в задаче встречается слово «валентность», отдельно считаем число связей, не путая со знаком заряда. Пример: в молекуле $CO_2$ валентность углерода равна 4 (образует 4 связи), СО равна $+4$ — здесь значения численно совпали, но это не всегда так (в $CH_4$ валентность углерода 4, СО $-4$).

Алгоритм решения по шагам

1. Определить тип частицы: нейтральная молекула (сумма СО = 0) или ион (сумма СО = заряд иона).
2. Выписать известные постоянные СО атомов, входящих в формулу (кислород, водород, металлы первой-второй группы).
3. Составить уравнение баланса зарядов и найти неизвестную СО центрального атома.
4. Если в задании дана общая формула иона $ЭO_x^{z-}$, применить формулу $CO(Э)=2x-z$ для каждого предполагаемого элемента ряда.
5. Для каждого элемента ряда определить его номер группы и проверить, попадает ли вычисленная СО в допустимый для него диапазон (от низшей до высшей).
6. Сравнить полученные значения СО у всех элементов ряда, найти пару с одинаковым значением.
7. Записать номера этих двух элементов в ответ (порядок обычно не важен, но при сомнении — по возрастанию номера).

Разбор примеров

Пример 1. Дан ряд элементов: 1) хлор, 2) азот, 3) фосфор, 4) марганец, 5) кремний. Нужно выбрать два элемента, степень окисления которых в кислородсодержащих анионах может быть одинаковой.

Шаг 1. Для каждого элемента вспоминаем характерные высшие анионы. Шаг 2. Хлор образует перхлорат-ион $ClO_4^{-}$. Считаем СО хлора: $CO(Cl) + 4\cdot(-2) = -1 \Rightarrow CO(Cl) = +7$. Шаг 3. Марганец образует перманганат-ион $MnO_4^{-}$. Считаем СО марганца: $CO(Mn) + 4\cdot(-2) = -1 \Rightarrow CO(Mn) = +7$. Шаг 4. У остальных элементов ряда (азот, фосфор, кремний) максимально возможные СО в кислородных анионах ниже: азот максимум $+5$ (в $NO_3^{-}$), фосфор максимум $+5$ (в $PO_4^{3-}$), кремний максимум $+4$ (в $SiO_3^{2-}$) — совпадения с $+7$ нет. Шаг 5. Совпадение найдено у хлора и марганца: оба могут иметь СО $+7$. Ответ: элементы 1 и 4, запись 14 (или 41).

Пример 2. Дан ряд: 1) сера, 2) хром, 3) азот, 4) хлор, 5) кремний. Нужно выбрать два элемента, которые в анионах общего вида $ЭO_x^{2-}$ могут иметь одинаковую степень окисления.

Шаг 1. Заряд иона фиксирован: $z=2$, значит формула для СО центрального атома: $CO(Э) = 2x-2$. Шаг 2. Сера образует сульфат-ион $SO_4^{2-}$: $x=4$, $CO(S) = 2\cdot4-2 = +6$. Шаг 3. Хром образует хромат-ион $CrO_4^{2-}$: $x=4$, $CO(Cr) = 2\cdot4-2 = +6$. Шаг 4. Проверяем остальных: азот с зарядом $-2$ в кислородных анионах не образует устойчивых частиц такого типа (характерные анионы азота одновалентны — $NO_3^{-}$, $NO_2^{-}$); хлор образует одновалентные анионы ($ClO_4^{-}$ и т.п.), а не двухзарядные; кремний образует $SiO_3^{2-}$ с $CO=+4$, что не совпадает с $+6$. Шаг 5. Совпадение — у серы и хрома, оба $+6$. Ответ: элементы 1 и 2, запись 12 (или 21).

Пример 3. Дан ряд: 1) сера, 2) азот, 3) хлор, 4) углерод, 5) хром. Нужно выбрать два элемента, которые в анионах строго вида $ЭO_4^{2-}$ (четыре атома кислорода, заряд $-2$) могут иметь одинаковую степень окисления.

Шаг 1. Здесь $x=4$ фиксировано, $z=2$, поэтому $CO(Э) = 2\cdot4-2 = +6$ для любого элемента, который способен образовать такой анион. Шаг 2. Сера образует $SO_4^{2-}$ — реально существующий сульфат-ион, $CO(S)=+6$ подтверждается практикой. Шаг 3. Хром образует $CrO_4^{2-}$ — хромат-ион, $CO(Cr)=+6$ также реально существует. Шаг 4. Азот, хлор и углерод не образуют устойчивых анионов вида $ЭO_4^{2-}$: у азота высшая СО $+5$ и характерный анион $NO_3^{-}$ (три атома кислорода, заряд $-1$); у хлора высшая СО $+7$ и характерный анион $ClO_4^{-}$ (заряд $-1$, не $-2$); у углерода высшая СО $+4$, что не даёт $+6$ даже формально. Шаг 5. Подходящая пара — сера и хром. Ответ: элементы 1 и 5, запись 15.

Общий вывод из всех трёх примеров: сначала находим формулу для расчёта СО через параметры иона ($x$ и $z$), затем проверяем, какой из элементов ряда реально способен образовать анион такого состава с такой степенью окисления, а не просто формально подходит по арифметике.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают валентность и степень окисления: валентность всегда положительна и показывает число связей, а СО может быть отрицательной и характеризует условный заряд.
• Считают, что кислород всегда $-2$: забывают о пероксидах ($H_2O_2$, где кислород $-1$) и соединении $OF_2$ (кислород $+2$).
• Автоматически берут высшую СО равной номеру группы для d-элементов без проверки — у железа, например, реальная высшая СО $+3$ (иногда $+6$ в феррате), а не $+8$, хотя формально железо в VIII группе.
• Не учитывают знак заряда иона при составлении уравнения баланса, из-за чего получают СО с противоположным знаком.
• Считают, что все элементы одной группы обязательно образуют одинаковый набор анионов — есть исключения (фтор не образует положительных высших СО, кислород почти всегда $-2$).
• Путают число атомов кислорода в общей формуле: если в условии указано конкретное $x$ (например, строго 4), нельзя подставлять другое значение, даже если элемент теоретически образует анион с другим числом атомов кислорода.
• Забывают проверить реальное существование иона: формальный арифметический расчёт может дать «подходящее» число, но такой анион в химии не существует (нужно ориентироваться на реально изучаемые в школьном курсе анионы: сульфаты, сульфиты, нитраты, нитриты, фосфаты, карбонаты, силикаты, хроматы, перманганаты, хлораты, перхлораты).

Как готовиться

• Составить и выучить таблицу характерных кислородсодержащих анионов для 10–12 элементов, которые чаще всего встречаются в заданиях: S, N, P, Cl, C, Si, Cr, Mn, Se, As, Br, I. Для каждого запомнить формулу иона и степень окисления центрального атома.
• Регулярно тренироваться в применении формулы $CO(Э) = 2x - z$ для разных значений $x$ и $z$, чтобы расчёт занимал не больше 20–30 секунд.
• Отдельно проработать правило "высшая СО = номер группы, низшая = номер группы минус 8", проверяя его на конкретных элементах второго и третьего периода.
• Разобрать все исключения из правил по кислороду, водороду и переходным металлам — именно они чаще всего становятся ловушками в заданиях.
• Решать варианты предыдущих лет именно по заданию 3, обращая внимание на формулировку: если спрашивают про валентность — считать число связей, если про СО — считать заряд.
• После каждой решённой задачи проверять ответ, подставляя найденные степени окисления обратно в формулу иона и убеждаясь, что сумма зарядов действительно совпадает с указанным зарядом частицы.