【种花家务·化学】1-2-15元素的化合价『数理化自学丛书66版』

2022-12-12 17:51 作者:山嵓 0人读过 | 我要投稿

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第二章、氧和氢

§2-15元素的化合价

什么叫做元素的化合价

【01】在前面学习氧和氢时，我们已经接触到了不少具体的化合物，根据定组成定律，这些化合物都有固定不变的组成，它们的分子都是由一定种类和一定数目的原子组成的，能够用一定的分子式来表示它们。

【02】例如，氧化钙的分子是由1个钙原子和1个氧原子组成的（分子式是 $CaO$ ），二氧化碳的分子是由1个碳原子和2个氧原子组成的（分子式是 $CO_2$ ），等等。

【03】从上面这些例子可以看出，元素的原子结合成为某种化合物的分子时，某元素的一个原子，只能和一定个数（而不能和任意个数）其他元素的原子相结合：钙原子和氧原子结合成氧化钙分子时，1个钙原子只能和1个氧原子（而不能和其他个数的氧原子）相结合；碳原子和氧原子结合成二氧化碳分子时，1个碳原子只能和2个氧原子（而不能和其他个数的氧原子）相结合，等等。

【04】在化学里，一种元素的原子和一定数目其他元素的原子相互化合的性质，叫做这种元素的化合价。

【05】在一般的化合物里，1个氢原子至多只能跟其他元素的1个原子化合。因此，现在化学上把氢原子的化合价规定为化合价的单位（即1价）。

【06】其他元素的化合价，可以根据这种元素的一个原子能和氢原子结合的个数来确定.例如：

【07】1个氯原子能和1个氢原子化合生成氯化氢分子， $HCl$ ，因此，在氯化氢分子里，氯原子的化合价是1价；

【08】1个氧原子能和2个氢原子化合生成水分子， $H_2O$ ，因此，在水分子里，氧原子的化合价是2价；

【09】1个氮原子能和3个氢原子化合生成氨分子， $NH_3$ ，因此，在氨分子里，氮原子的化合价是3价；

【10】1个碳原子能和4个氢原子化合生成甲烷分子， $CH_4$ ，因此，在甲烷分子里，碳原子的化合价是4价。【甲烷（烷音“完”）俗名“沼气”，是一种有机化合物，将在本书第四册里详细介绍】

【11】有些元素的原子不容易或者不能和氢原子直接化合，它们的化合价可以根据这种元素的一个原子能从含氢化合物（例如酸）里置换出的氢原子个数来确定。例如：1个钠（Na）原子能从酸分子里置换出1个氢原子，生成氯化钠分子 $NaCl$ ，化学方程式： $%5Cce%7B2Na%20%2B2HCl%3DH2%20%2B2NaCl%7D$ 【山注，B站专栏公式代码\ce{2Na +2HCl=H2 +2NaCl}】因此，在氯化钠分子里，钠的化合价是1价；

【12】1个锌（ $Zn$ ）原子能从酸分子里置换出2个氢原子，生成硫酸锌分子 $ZnSO_4$ ，化学方程式： $%5Cce%7BZn%20%2BH2SO4%3DH2%20%2BZnSO4%7D$ ，因此在硫酸锌分子里，锌的化合价是2价。

化合价规则

【13】上面讲到，在氯化氢（ $HCl$ ）、水（ $H_2O$ ）、氨（ $NH_3$ ）和甲烷（ $CH_4$ ）等含氢化合物的分子里，氯原子、氧原子、氮原子和碳原子的化合价分别是1价、2价、3价和4价。我们知道，氢原子的化合价是被规定为1价的。由此可以看出，在这些化合物里，两种元素原子的化合价总数（即元素的化合价和原子数的乘积）都是相等的：

$%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D%E5%85%83%E7%B4%A0%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%C3%97%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%95%B0%5C%5C%0AHCl%E2%80%A6%E2%80%A6%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%E6%B0%AF%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D1%C3%971%3D1%20%5C%5C%0A%E6%B0%A2%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D1%C3%971%3D1%5Cend%7Bcases%7D%5C%5C%0AH_2O%E2%80%A6%E2%80%A6%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%E6%B0%A7%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D2%C3%971%3D2%20%5C%5C%0A%E6%B0%A2%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D1%C3%972%3D2%5Cend%7Bcases%7D%5C%5C%0ANH_3%E2%80%A6%E2%80%A6%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%E6%B0%AE%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D3%C3%971%3D3%20%5C%5C%0A%E6%B0%A2%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D1%C3%973%3D3%5Cend%7Bcases%7D%5C%5C%0ACH_4%E2%80%A6%E2%80%A6%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%E7%A2%B3%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D4%C3%971%3D4%20%5C%5C%0A%E6%B0%A2%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%E6%80%BB%E6%95%B0%3D1%C3%974%3D4%5Cend%7Bcases%7D%5C%5C$

【山注，B站专栏公式代码——化合价总数=元素的化合价×原子数\\HCl……\begin{cases}氯原子的化合价总数=1×1=1 \\氢原子的化合价总数=1×1=1\end{cases}\\H_2O……\begin{cases}氧原子的化合价总数=2×1=2 \\氢原子的化合价总数=1×2=2\end{cases}\\NH_3……\begin{cases}氮原子的化合价总数=3×1=3 \\氢原子的化合价总数=1×3=3\end{cases}\\CH_4……\begin{cases}碳原子的化合价总数=4×1=4 \\氢原子的化合价总数=1×4=4\end{cases}】

【14】在任何由两种元素组成的化合物里，甲元素的化合价总数必然和乙元素的化合价总数相等。即：甲元素的化合价×甲元素的原子数=乙元素的化合价×乙元素的原子数。这个关系，称做化合价规则。

【15】例如，在氯化铜分子（分子式 $CuCl_2$ ）里，氯的化合价×氯原子数=铜的化合价×铜原子数：1×2-=2×1。

【16】又如，在五氧化二磷分子（分子式 $P_2O_5$ ）里，磷的化合价×磷原子数=氧的化合价×氧原子数：5×2=2×5。

【17】因此，在由两种元素组成的化合物里，如果其中一种元素的化合价是已知的，就可根据化合物的分子式，利用“化合价规则”，计算出另一种元素的化合价。

山笺1|| 化合价小记

（1）化合价与原子

【山】化合物有固定的组成，形成化合物的元素有固定的原子个数比，而这个比就与化合价相关。化合价有正负高低之分，而元素的化合价与该元素的离子电荷数一致。当原子最外层电子是1/2/3时，其常见化合价分别为+1、+2、+3；当原子最外层电子是6/7时，常见化合价分别为-2、-1。

（2）化合价与原子团

【山】原子团的化合价中大多为负价，但铵根是正价。原子团是由几个原子结合在一起的集团，相当于一个原子，原子团又叫根，通常带电荷形成离子。原子团不是物质，但是原子团离子可以与带相反电荷的离子一起构成化合物。含有原子团的化合物进行化学反应时，原子团常整体反应，但在一定条件下也会拆散反应。另外酸根原子团必是由某元素和氧元素组成，尤其，氯酸根为ClO₃⁻而不是Cl⁻。

例1.已知氧的化合价是2价，求氧化铝（分子式是 $Al_2O_3$ ）里铝原子的化合价。

【解】根据化合价规则，铝的化合价×铝原子数=氧的化合价×氧原子数，故

$%E9%93%9D%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%3D%5Cfrac%7B%E6%B0%A7%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%C3%97%E6%B0%A7%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%95%B0%7D%7B%E9%93%9D%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%95%B0%7D%20%3D%5Cfrac%7B2%C3%973%7D%7B2%7D%20%3D3$

【山注，B站专栏公式代码——铝的化合价=\frac{氧的化合价×氧原子数}{铝原子数} =\frac{2×3}{2} =3】

答：在氧化铝里铝原子的化合价是3价。

例2.已知氮的化合价是3价，求氮化镁（分子式是 $Mg_3N_2$ ）里镁的化合价。

【解】根据化合价规则可知，

$%E9%95%81%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%3D%5Cfrac%7B%E6%B0%AE%E7%9A%84%E5%8C%96%E5%90%88%E4%BB%B7%C3%97%E6%B0%AE%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%95%B0%7D%7B%E9%95%81%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%95%B0%7D%20%3D%5Cfrac%7B3%C3%972%7D%7B3%7D%20%3D2$

答：在氮化镁里镁的化合价是2价。

【18】氢在它的一切化合物里都是1价；氧在它的一切化合物里都是2价，由于许多化合物里都含有氢元素或氧元素，因此记住了它们的化合价，在根据化合物分子式确定元素的化合价时，会有很大的方便。

不变化合价和可变化合价

【19】我们知道，元素的原子相互结合成为某种化合物的分子时，表现出一定的化合价。例如，碳和氧相互化合成二氧化碳时，1个碳原子只能和2个氧原子结合（在二氧化碳 $CO_2%0A$ 里，碳原子是4价）。但碳和氧相互化合时，由于反应时的条件不同，并不一定生成二氧化碳。例如，碳在空气不充足的地方燃烧，除了生成二氧化碳外，还能生成一氧化碳（分子式 $CO$ ，在一氧化碳里碳原子是2价）。同样，硫在不同条件下可以和氧化合生成二氧化硫（分子式 $SO_2$ ）或三氧化硫（分子式 $SO_3$ ），另外，硫还能和氢化合生成硫化氢（分子式 $H_2S$ ）。在这些化合物里，硫原子的化合价分别是4价（在 $SO_2$ 中）、6价（在 $SO_3$ 中）和2价（在 $H_2S$ 中）。

【20】大多数元素，特别是非金属元素，在不同的化合物里都能显示出不同的化合价.它们的化合价，称做可变化合价。

【21】也有一些元素，它们在所有的化合物里，都表现出一种化合价，例如，钠、钾、氢等元素在一切化合物里都是1价，锌、钙、氧等元素在一切化合物里都是2价等。这些元素的化合价，称做不变化合价。

【22】表2·1列出了几种常见元素的化合价。

【23】虽然有些元素在不同的化合物里表现出不同的化合价，但其中常有一种化合价是比较主要的，在它的大多数化合物里，都表现出这种化合价。例如铜化合物里的铜原子有1价的，也有2价的，但2价铜的化合物是主要的。

山笺2|| 常见化合价小记

（1）常见化合价

【山】常见的化合物中氢+1价，氧-2价。金属元素在化合物中长显正价；非金属元素跟氧化合时常显正价，跟氢化合时常显负价（例如HCl中Cl显-1价，但ClO₃⁻中Cl显+5价）；单质的化合价为零价；化合物里元素化合价的代数和为零；有些元素在同一化合物中可能显示不同化合价（例如NH₄NO₃中N显示-3与+5价，体现了上述特征中，非金属与氢和氧结合时的化合价差异）。

（2）化合价口诀

【山】一价氢氯钾钠银，二价氧钙钡镁锌。三铝四硅五氮磷，二三铁二四碳。二四六硫都齐全，铜汞二价最常见。氢一氧二为标准，单质价态总为零。

【山】负一氢氧硝酸根；负二碳酸硫酸根；负三价是磷酸根；正一价的是铵根。

根据元素的化合价来书写化合物的分子式

【24】在知道了元素的化合价（或它的主要化合价）后，就能根据“化合价规则”正确写出化合物的分子式。【山语|| 既可以根据化合物中化合价代数和为零，由已知化合价推导未知化合价；也可用化合价检查化合物的化学式。】现举氧化铝为例来说明这个问题（已知氧是2价，铝是3价）：

【25】【第一步】先把组成这种化合物的元素符号写出来（如果两种元素中一种是金属，一种是非金属，一般都是把金属元素符号写在前面），即写出 $AlO$ 。

【26】【第二步】在这两种元素符号的右上角，用罗马数字分别标出它们的化合价，即 $Al%5E%7BIII%7DO%5E%7BII%7D$ 。

【27】【第三步】求出这两种元素的化合价的最小公倍数，在现在这个例子里，3和2的最小公倍数是6。

【28】【第四步】把求得的最小公倍数分别用这两种元素的化合价来除，得出的商就是这一元素在分子里应有的原子个数，把它注在元素符号的右下角，这样就写出了这一化合物的分子式。在这个例子里，氧化铝里面的铝原子数=6/3=2，氧原子数=6/2=3，故氧化铝的分子式是 $Al_2O_3$ 。

【29】【第五步】最后检验一下写出的分子式是否符合“化合价规则”，即铝的化合价总数是否和氧的化合价总数相等：铝的化合价×铝的原子数=3×2=6，氧的化合价×氧的原子数=2×3=6。说明 $Al_2O_3$ 这个分子式是符合于“化合价规则”的。【山语|| 化学式中一般正价在前，负价在后（NH₃、CH₄等是例外）】

【30】如果两种元素的化合价是相同的，书写它们化合物的分子式时，只要进行到第一步就完成了，例如，钠和氯两种元素都是1价，它们化合物（即氯化钠）的分子式就是NaCl，又如钙和氧两种元素都是2价，它们化合物（即氧化钙）的分子式就是CaO。【山语|| 两种元素组成的化合物中，若已知化合物中各元素的化合价，可以使用最小公倍数法和十字交叉法确定化学式。】

【31】必须注意，分子式是用来表示某种物质的分子组成的。因此，只有这种物质确实是存在的，用来代表这种物质的分子式才是有意义的。我们知道，并不是任何两种元素都能化合生成化合物的，因此，也决不能认为按照上述步骤写出的符合于“化合价规则”的任何式子，都是有意义的分子式。例如，氮和钠根本不能化合，根据“化合价规则”写出的“分子式” $Na_3N$ （钠是1价，氮是3价）所代表的“氮化钠”也是根本不存在的，因此 $Na_3N$ 这个式子是没有任何意义的。

【32】因此，在根据“化合价规则”书写化合物的分子式时，首先必须确切知道这种化合物是真实存在的。

习题2-15

1、什么叫做元素的化合价？什么是化合价规则？

【山答】

①在化学里，一种元素的原子和一定数目其他元素的原子相互化合的性质，叫做这种元素的化合价。

②在任何由两种元素组成的化合物里，甲元素的化合价总数必然和乙元素的化合价总数相等。

2、确定下列化合物里各种金属元素的化合价（已知氧是2价，氢是1价，氯是1价）：

$%5Cce%7BNa2O%2CCaO%2CMnO2%2CPbCl2%2CSnCl4%7D$

【山答】1/2/4/2/4。

3、

(1)确定氮在 $%5Cce%7BN2O%2CNO%2CN2O3%2CNO2%2CN2O5%7D$ 等化合物里的化合价；【山答】1/2/3/4/5。

(2)确定硫在 $%5Cce%7BH2S%2CSO2%2CSO3%7D$ 等化合物里的化合价：【山答】2/4/6。

(3)确定磷在 $%5Cce%7BPH3%2CP2O5%7D$ 里的化合价；【山答】3/5。

(4)氮、硫、磷的化合价是不变的还是可变的？【山答】可变。

4、根据下列化学方程式，确定(1)中钾(K)，(2)中镁(Mg)，(3)中铝(AI)的化合价：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7D%20%26%26%20%5Cce%7B(1)%202K%20%2B2H2O%3D2KOH%20%2BH2%E2%86%91%7D%5C%5C%26%26%5Cce%7B%20(2)%20Mg%20%2B2HCl%3DMgCl2%20%2BH2%E2%86%91%7D%5C%5C%26%26%5Cce%7B(3)%202Al%20%2B6HCI%3D2AlCl3%20%2B3H2%E2%86%91%7D%5C%5C%5Cend%7Beqnarray%7D%0A%0A%20%20%20%0A%0A%20$