Задание 4 ОГЭ по химии: валентность и степень окисления элементов

Что проверяет задание

Задание 4 проверяет умение определять степень окисления (СО) химического элемента в конкретном соединении и сопоставлять формулы веществ с числовыми значениями СО. Формально в теме упоминается и валентность, но в реальных вариантах ОГЭ почти всегда встречается именно степень окисления — понятие более универсальное, применимое и к металлам, и к неметаллам, и к сложным ионам.

Проверяются три навыка одновременно:

• знание постоянных степеней окисления типовых элементов (H, O, F, металлы I–II групп);
• умение составлять и решать простое уравнение на сумму степеней окисления;
• аккуратность при работе с индексами и скобками в формулах.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Стандартная формулировка: «Установите соответствие между формулой соединения и степенью окисления элемента X в этом соединении: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой». Даются три формулы (А, Б, В) и четыре варианта степеней окисления (1–4), один из вариантов — «лишний», не используется.

Ответ записывается как последовательность из трёх цифр без пробелов, например «233» — это цифра для А, затем для Б, затем для В.

Задание оценивается в 1 балл, если все три соответствия указаны верно; при частично правильном ответе (например, совпадает только одна или две позиции) баллы не начисляются — засчитывается только полностью верная последовательность. Поэтому важно проверять каждую букву отдельно, а не угадывать общую комбинацию.

Что нужно знать

• Степень окисления (СО) — условный заряд атома в соединении, который он имел бы, если считать все связи полностью ионными.
• Валентность — число химических связей, образованных атомом; величина всегда положительная, знака не имеет.
• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю: $\sum n_i \cdot СО_i = 0$.
• Сумма степеней окисления атомов в сложном ионе равна заряду этого иона: $\sum n_i \cdot СО_i = q$.
• СО простого вещества (атома в форме элемента) равна 0, например в $O_2$, $Fe$, $S_8$.
• Постоянные степени окисления, которые нужно знать наизусть:
• щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs) — всегда $+1$;
• щелочноземельные металлы и Be, Mg (II группа, главная подгруппа) — всегда $+2$;
• водород — $+1$ почти всегда, кроме гидридов активных металлов (например, $NaH$), где $-1$;
• кислород — $-2$ почти всегда, кроме пероксидов ($H_2O_2$, где $O$ равен $-1$) и соединения $OF_2$ (там $O$ равен $+2$);
• фтор — всегда $-1$, это самый электроотрицательный элемент, у него никогда не бывает положительной СО.
• Заряды типовых сложных ионов, которые полезно помнить: аммоний $NH_4^{+}$ — заряд $+1$; сульфат $SO_4^{2-}$ — заряд $-2$; нитрат $NO_3^{-}$ — заряд $-1$; нитрит $NO_2^{-}$ — заряд $-1$; карбонат $CO_3^{2-}$ — заряд $-2$; гидроксид $OH^{-}$ — заряд $-1$.
• Между двумя неметаллами более электроотрицательный элемент получает отрицательную СО, менее электроотрицательный — положительную (например, в $CCl_4$ хлор электроотрицательнее углерода, поэтому у хлора СО $-1$, у углерода $+4$).

Методы решения

1. Метод балансировки нейтральной молекулы. Подходит для оксидов, кислот, простых бинарных соединений. Расставляем известные СО, составляем уравнение суммы, равной нулю, находим неизвестное. Пример: в $HNO_3$ известны $H=+1$, $O=-2$ (трижды). Уравнение: $(+1) + x + 3\cdot(-2) = 0$, отсюда $x = +5$ — это СО азота.

2. Метод через заряд сложного иона. Если в формуле есть кислотный остаток или катион типа аммония, сначала находим СО искомого элемента внутри этого иона, используя известный заряд иона, а не заряд всей молекулы. Пример: в сульфате $SO_4^{2-}$ заряд иона $-2$. Кислород даёт $4\cdot(-2) = -8$. Тогда сера: $x + (-8) = -2$, значит $x=+6$. Это значение серы одинаково в любой соли сульфата, независимо от металла.

3. Метод «постоянный элемент — опора». Если один из атомов в молекуле имеет фиксированную СО (металл I–II группы, фтор, обычный кислород или водород), его значение сразу подставляется, а вычисляется только неизвестный элемент. Пример: в $Ba(NO_2)_2$ барий всегда $+2$. Значит суммарный заряд двух групп $NO_2$ равен $-2$, то есть заряд одной группы нитрита равен $-1$; далее внутри неё находим СО азота отдельно.

4. Метод сравнения электроотрицательностей для бинарных неметаллических соединений. Когда оба элемента — неметаллы, нужно определить, кто из них более электроотрицателен (обычно правее и выше в таблице), тот получает отрицательную СО. Пример: в $SF_6$ фтор — самый электроотрицательный элемент, у него всегда $-1$, значит сера получает $+6$, чтобы сумма шести атомов фтора и одного атома серы дала ноль: $x + 6\cdot(-1)=0$.

5. Метод проверки через валентность и типовые формулы солей. Если известно название или тип соли (сульфат, нитрат, сульфид и т.п.), можно сразу вспомнить типовую СО кислотообразующего элемента в этом анионе, не решая уравнение с нуля — это экономит время на экзамене. Пример: во всех сульфатах сера имеет СО $+6$, во всех сульфидах — $-2$, во всех нитратах азот — $+5$, во всех нитритах — $+3$.

Алгоритм решения по шагам

1. Определить тип формулы: простое вещество, оксид, кислота, соль, сложный ион в скобках.
2. Выписать известные (постоянные) степени окисления всех элементов, кроме искомого: металлы I–II группы, водород, кислород, фтор.
3. Определить общий заряд системы: 0 для нейтральной молекулы, заряд иона — для сложного катиона или аниона (аммоний $+1$, сульфат $-2$ и т.д.).
4. Составить уравнение вида $\sum n_i \cdot СО_i = q$, где неизвестное — степень окисления искомого элемента.
5. Решить уравнение относительно искомой переменной, аккуратно учитывая количество атомов (индексы, включая индексы за скобками).
6. Сопоставить полученное число со списком цифр в задании и записать соответствующую цифру для каждой буквы.
7. Собрать три цифры в порядке А, Б, В и записать итоговый ответ без пробелов.

Разбор примеров

Пример 1. Даны формулы: А) $(NH_4)_2S$, Б) $Fe_2(SO_4)_3$, В) $SF_6$. Варианты: 1) $-6$, 2) $-2$, 3) $+6$, 4) $+4$. Нужно найти степень окисления серы.

А) В $(NH_4)_2S$ есть сложный катион аммония $NH_4^{+}$, заряд которого всегда $+1$. Молекула нейтральна, поэтому два катиона аммония дают суммарный заряд $+2$, а сера должна компенсировать его до нуля: $2\cdot(+1) + x = 0$, отсюда $x = -2$. Это соответствует цифре 2.

Б) В $Fe_2(SO_4)_3$ работаем с сульфат-ионом $SO_4^{2-}$. Заряд иона $-2$, кислород даёт $4\cdot(-2) = -8$. Тогда сера: $x + (-8) = -2$, значит $x = +6$. Это соответствует цифре 3.

В) В $SF_6$ фтор всегда $-1$, шесть атомов фтора дают $-6$. Молекула нейтральна: $x + (-6) = 0$, значит $x = +6$. Это тоже соответствует цифре 3.

Итоговый ответ: А—2, Б—3, В—3, то есть «233».

Пример 2. Формулы: А) $HClO_3$, Б) $CCl_4$, В) $Cl_2O$. Варианты: 1) $+2$, 2) $+1$, 3) $-1$, 4) $+5$. Ищем степень окисления хлора.

А) В $HClO_3$ водород $+1$, кислород $-2$ трижды, то есть $-6$. Уравнение: $(+1) + x + (-6) = 0$, отсюда $x = +5$. Это цифра 4.

Б) В $CCl_4$ оба элемента — неметаллы, но хлор электроотрицательнее углерода, поэтому хлор получает отрицательную СО, а углерод — положительную. Четыре атома хлора при СО $-1$ каждый дают $-4$, значит углерод должен быть $+4$, чтобы сумма молекулы равнялась нулю. Степень окисления хлора здесь $-1$ — это цифра 3.

В) В $Cl_2O$ кислород $-2$. Уравнение: $2x + (-2) = 0$, отсюда $x = +1$. Это цифра 2.

Итоговый ответ: А—4, Б—3, В—2, то есть «432».

Пример 3. Формулы: А) $Ba(NO_2)_2$, Б) $(NH_4)_2SO_4$, В) $HNO_3$. Варианты: 1) $+5$, 2) $-5$, 3) $+3$, 4) $-3$. Ищем степень окисления азота.

А) Барий — щелочноземельный металл, его СО всегда $+2$. Молекула нейтральна, значит суммарный заряд двух групп нитрита равен $-2$, то есть заряд одной группы $NO_2^{-}$ равен $-1$. Внутри неё кислород даёт $2\cdot(-2) = -4$. Уравнение для азота: $x + (-4) = -1$, отсюда $x = +3$. Это цифра 3.

Б) В $(NH_4)_2SO_4$ азот находится внутри катиона аммония $NH_4^{+}$, заряд которого $+1$. Водород даёт $4\cdot(+1) = +4$. Уравнение: $x + 4 = +1$, отсюда $x = -3$. Это цифра 4.

В) В $HNO_3$ водород $+1$, кислород даёт $3\cdot(-2) = -6$. Уравнение: $(+1) + x + (-6) = 0$, отсюда $x = +5$. Это цифра 1.

Итоговый ответ: А—3, Б—4, В—1, то есть «341».

Типичные ошибки и ловушки

• Путают валентность и степень окисления. Валентность не имеет знака и не всегда равна модулю степени окисления (например, в $CO_2$ валентность углерода равна 4, а СО тоже $+4$, но в других соединениях эти числа могут расходиться).
• Забывают об исключениях для кислорода и водорода. Кислород не всегда $-2$ (пероксиды, $OF_2$), водород не всегда $+1$ (гидриды активных металлов). В заданиях открытого банка ФИПИ такие исключения встречаются реже, но проверить стоит.
• Неправильно считают заряд сложного иона при работе со скобками. В формуле $(NH_4)_2S$ индекс 2 относится ко всей группе $NH_4$, а не только к одному атому — важно умножать заряд иона на количество групп, а не забывать про индекс за скобкой.
• Путают степень окисления элемента внутри сложного иона с зарядом самого иона. Например, в аммонии $NH_4^{+}$ заряд иона $+1$, но степень окисления азота внутри него $-3$ — это разные величины, и в задании часто спрашивают именно СО элемента, а не заряд группы.
• Ошибаются в знаке при переносе слагаемых через уравнение. При решении $\sum n_i\cdot СО_i = 0$ легко перепутать знак неизвестного, особенно когда кислорода или водорода несколько атомов — стоит подставлять числа аккуратно, шаг за шагом.
• Не проверяют по электроотрицательности бинарные соединения неметаллов. В формулах типа $CCl_4$ или $NCl_3$ важно определить, какой из двух неметаллов более электроотрицателен, иначе можно перепутать знаки обоих элементов.

Как готовиться

Выучите таблицу постоянных степеней окисления наизусть: щелочные металлы $+1$, щелочноземельные $+2$, водород $+1$ (кроме гидридов), кислород $-2$ (кроме пероксидов и $OF_2$), фтор всегда $-1$. Эти пять фактов закрывают большинство задач за секунды.

Отдельно запомните заряды и типовые степени окисления самых частых сложных ионов: аммоний $NH_4^{+}$ (азот $-3$), сульфат $SO_4^{2-}$ (сера $+6$), сульфит $SO_3^{2-}$ (сера $+4$), нитрат $NO_3^{-}$ (азот $+5$), нитрит $NO_2^{-}$ (азот $+3$), карбонат $CO_3^{2-}$ (углерод $+4$), фосфат $PO_4^{3-}$ (фосфор $+5$). Эти значения повторяются из варианта в вариант.

Решайте задания из открытого банка ФИПИ по этой теме подряд, группами по 10–15 штук, фиксируя, на каких формулах ошиблись. После каждой ошибки возвращайтесь к правилу, которое было нарушено, и проговаривайте его вслух — это закрепляет материал быстрее, чем повторное чтение теории.

Тренируйтесь письменно составлять уравнение суммы степеней окисления для каждой формулы, даже если ответ кажется очевидным — на экзамене машинальный пропуск шага часто приводит к ошибке в знаке. Полезно также прогонять один и тот же элемент через разные типы соединений (оксид, кислота, соль, сложный ион), чтобы увидеть, как меняется его степень окисления в зависимости от партнёров по формуле.