Степени окисления и валентность на ЕГЭ по химии, главное для экзамена

В 1852 году профессор химии из Манчестера Эдуард Франкленд, за три года до этого защитивший диссертацию в Марбурге у Бунзена и годом раньше получивший кафедру в Оуэнс-колледже, напечатал работу о том, что каждый элемент соединяется с определенными числами чужих атомов, и назвал это свойство «соединительной силой», а азоту, фосфору, мышьяку и сурьме приписал способность присоединять то три атома, то пять. Через 174 года ту же пятерку азоту ставит одиннадцатиклассник на октябрьской разминке перед третьим заданием ЕГЭ. В графе «валентность» у азотной кислоты у него пять, в графе «степень окисления» плюс пять, у угарного газа два и плюс два, у иона аммония три и минус три.

Франкленда понять можно, электрона тогда еще не открыли. Выпускник 2027 года сдает экзамен, где задание 3 собрано как раз из веществ, на которых валентность и степень окисления расходятся, а задание 29 в конце варианта оценивает электронный баланс отдельным баллом. Привычку, что второе число равно первому со знаком, лучше разобрать до зимних каникул: после них в подготовке начинаются окислительно-восстановительные реакции, электролиз и цепочки, где степени окисления надписывают над каждым атомом. Сама история понятия показывает, откуда взялась путаница и где она кончается.

Углерод с четырьмя связями

Через пять лет после работы Франкленда, в 1857 году, Кекуле и Кольбе пришли к выводу, что углерод в своих соединениях обычно образует четыре связи. В 1858 году шотландец Арчибальд Купер добавил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепочки, а в 1861 году Бутлеров выступил с теорией химического строения. Слово «валентность» химики начали употреблять в 1868 году, и считали им ровно то, что видели в формулах, число черточек от атома к соседям.

Этой меркой углерод в органике почти всегда четырехвалентен, и тут школьная привычка дает первую трещину. В метане у углерода четыре связи с водородом и степень окисления минус четыре, в метаноле минус два, в формальдегиде ноль, в муравьиной кислоте плюс два, в углекислом газе плюс четыре. Черточек везде четыре. В дихлорметане, который продают в смывках для старой краски, две связи ведут к водороду и две к хлору, хлор электроны забирает, водород их уступает, и степень окисления углерода выходит ноль при той же валентности четыре.

Пара электронов Льюиса

Объяснить, что такое черточка, удалось только в двадцатом веке. В 1916 году Гилберт Льюис, декан химического факультета в Беркли, предположил, что связь держится на паре электронов, общей для двух атомов, и что устойчивая внешняя оболочка содержит восемь электронов. После этого валентность стала числом общих пар.

С парами Льюиса азотная кислота разбирается без загадок. Азот окружен тремя атомами кислорода: с тем, на котором сидит водород, его связывает одна пара, со вторым две, а с третьим азот делится своей собственной неподеленной парой. Такую связь называют донорно-акцепторной. Пар всего четыре, восемь электронов вокруг азота уже набрано, и пятой связи у атома второго периода взяться неоткуда, на его внешнем слое четыре орбитали. Франклендова пятерка для азотной кислоты не подтвердилась, а у фосфора, у которого внешний слой третий, она осталась: в фосфорной кислоте у него пять связей.

Та же донорно-акцепторная связь стоит за двумя другими ошибками с разминки. В угарном газе углерод и кислород соединены тремя парами, одну из которых кислород отдал целиком, поэтому валентность углерода три, а кислород здесь, вопреки привычной двойке, тоже трехвалентен. В ионе аммония четвертый водород присоединяется к азоту протоном и садится на его неподеленную пару, связей становится четыре. Аммиак с его тремя связями ученик заполнил верно.

Шкала Полинга

В 1932 году Лайнус Полинг опубликовал шкалу электроотрицательности, по которой видно, какой атом в паре сильнее тянет общие электроны к себе. Первым в ней стоит фтор. Отнять у него электроны некому, и в соединениях он всегда имеет степень окисления минус один, хотя номер группы в короткой форме таблицы обещает плюс семь. Кислород уступает только фтору, поэтому выше плюс двух не поднимается, и этот плюс два встречается у него в дифториде кислорода.

Из той же шкалы следуют правила, с которых начинается любой подсчет. Водород рядом с неметаллом обычно получает плюс один, щелочной металл тоже плюс один, кислород обычно минус два, кроме пероксидов, надпероксидов и соединений с фтором. Если два атома одинаковы, тянуть электроны им не в чью сторону, и пара делится поровну. Поэтому у кислорода в аптечном трехпроцентном пероксиде водорода степень окисления минус один, а валентность два, у молекулярного азота ноль при валентности три.

Книга Латимера

Коллега Льюиса по Беркли Уэнделл Латимер в 1938 году выпустил книгу о степенях окисления элементов и их потенциалах в водных растворах. Число, которое в ней сведено для каждого элемента, считает уже электроны: связи атома мысленно делают ионными, общую пару отдают более электроотрицательному партнеру, и заряд, оставшийся у атома, записывают со знаком. Азот в азотной кислоте при таком дележе теряет один электрон по одинарной связи, два по двойной и два по донорно-акцепторной, в которую вложил свою пару. Получается плюс пять при четырех связях.

Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю, в ионе заряду, и на этом держится расчет для неорганики. В дихромате калия два калия дают плюс два, семь кислородов минус четырнадцать, на два атома хрома приходится плюс двенадцать, по плюс шесть на каждый, что совпадает с номером группы хрома. В методических рекомендациях Минпросвещения по окислительно-восстановительным реакциям совпадение высшей степени окисления с номером группы записано с оговоркой «как правило», и фтор с кислородом показывают, почему.

Есть и вещество, где одного числа нет совсем. Железная окалина, черная корка на раскаленном железе, в природе встречается как минерал магнетит, и на три атома железа в ней приходится четыре атома кислорода. Сумма дает железу плюс восемь третьих, хотя у отдельного атома такой степени окисления не бывает: один атом железа находится в состоянии плюс два, два других в состоянии плюс три. В органике подсчет по сумме тоже дает только среднее по всем углеродам, поэтому в цепочках каждый атом углерода считают по его собственным связям.

Обидно, что первая часть ЕГЭ эту путаницу почти не ловит. В 2025 году задание 3 выполнено в среднем на 76,3 процента, задание 19, где по степеням окисления определяют окислитель и восстановитель, на 75,1. Развернутое задание 29 в том же году выполнено на 34,9 процента, у выпускников с результатом от 36 до 60 баллов на 11,7, хотя третье эта группа выполнила на 71,2 процента. По опыту преподавателей, многие потери в двадцать девятом начинаются с одной неверной степени окисления, поставленной над атомом еще до продуктов реакции.

Определение 2016 года

Общего определения у степени окисления долго не было, ее задавали правилами подсчета вроде описанных выше. В техническом отчете 2014 года ИЮПАК предложил формулировку через ионное приближение, а в 2016 году закрепил ее рекомендациями: степень окисления равна заряду атома после ионного приближения его связей с атомами других элементов. Валентность за те же полтора века прошла путь от франклендовой «соединительной силы» до числа общих электронных пар и знака так и не получила.

Что из этого спрашивают на ЕГЭ

Структура ЕГЭ по химии в 2027 году по проектам ФИПИ не меняется: 34 задания, 210 минут, максимум 56 первичных баллов, порог три последних года держится на 36 тестовых. Расписание на 2027 год еще не утверждено, в 2026 году химию сдавали 1 июня, в первый день основного периода.

Задание 3 базового уровня проверяет электроотрицательность, валентность и степень окисления, стоит один балл и по плану ФИПИ занимает две-три минуты. В 2024 году его выполнили в среднем на 67,8 процента. В тренировочных сборниках по этой линии встречается условие «выберите два элемента, высшая валентность которых не равна номеру группы», и по короткой форме таблицы азот под него подходит, а фосфор нет. Задание 19 спрашивает, какое свойство элемент проявляет в реакции или как меняется степень окисления окислителя. За задание 29 дают два балла: из перечня выбирают два вещества, пишут уравнение окислительно-восстановительной реакции и составляют электронный баланс, который в критериях оценивается отдельно.

Перечень для такого задания ФИПИ приводит в методических рекомендациях по итогам 2025 года: карбонат натрия, сульфит бария, перманганат калия, серная кислота, гидроксид трехвалентного железа, аммиак. Нужна реакция, в которой получатся простое вещество, оксид и раствор щелочи. Решения в рекомендациях нет, условию отвечают перманганат калия и аммиак. Азот поднимается с минус трех до нуля и уходит газом, марганец опускается с плюс семи до плюс четырех и выпадает оксидом, калий остается в щелочи.

Октябрь 2026 года

Через неделю после разминки тот же ученик получает новую разминку с теми же веществами и рядом с азотной кислотой рисует четыре черточки. На полях первой разминки у него с прошлого раза осталась приписка карандашом: «В восьмом классе так и учили». Учили на воде, поваренной соли и оксиде кальция, где два числа действительно совпадают по модулю. Перенести из этой истории в чат одноклассникам стоит одну фразу: у азота в азотной кислоте степень окисления плюс пять, а валентность четыре, потому что первое число считает отданные кислороду электроны, а второе считает общие пары.

Тем, кто сдает химию в 2027 году, хватит плана, посильного при любом стартовом уровне. До конца октября в тетради появляется страница для веществ, у которых два числа расходятся, и у каждого рядом нарисована структурная формула. В ноябре по десять минут в день уходит на пять формул с расстановкой степеней окисления и проверкой по сумме, а раз в неделю на органическую молекулу, где каждый углерод считается отдельно. До зимних каникул линии 3 и 19 открытого банка ФИПИ проходятся подряд. С января, вместе с заданием 29, над всеми атомами в уравнении сначала надписываются степени окисления и только потом ищется, кто их поменял.

Как делить время дальше, подскажет последний пробник. При 36–60 баллах ошибки двадцать девятого задания полезно раскладывать по причинам: неверная степень окисления, не та пара веществ, неверные коэффициенты. При результате выше 80 третье задание, скорее всего, уже не теряется, и лучше заняться исключениями, пероксидами, окалиной и органическими цепочками. Младшему брату или сестре в восьмом классе, где валентность обычно проходят раньше степени окисления, полезно с первых уроков рисовать структурную формулу рядом с каждой валентностью, тогда к концу года степень окисления встанет на отдельное место.

Частые вопросы про степени окисления и валентность