【種花家務(wù)·化學(xué)】1-2-15元素的化合價(jià)『數(shù)理化自學(xué)叢書66版』

2022-12-12 17:51 作者:山嵓 0人讀過 | 我要投稿

【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第二章、氧和氫??

§2-15元素的化合價(jià)

什么叫做元素的化合價(jià)

【01】在前面學(xué)習(xí)氧和氫時(shí)，我們已經(jīng)接觸到了不少具體的化合物，根據(jù)定組成定律，這些化合物都有固定不變的組成，它們的分子都是由一定種類和一定數(shù)目的原子組成的，能夠用一定的分子式來表示它們。

【02】例如，氧化鈣的分子是由1個(gè)鈣原子和1個(gè)氧原子組成的（分子式是 $CaO$ ），二氧化碳的分子是由1個(gè)碳原子和2個(gè)氧原子組成的（分子式是 $CO_2$ ），等等。

【03】從上面這些例子可以看出，元素的原子結(jié)合成為某種化合物的分子時(shí)，某元素的一個(gè)原子，只能和一定個(gè)數(shù)（而不能和任意個(gè)數(shù)）其他元素的原子相結(jié)合：鈣原子和氧原子結(jié)合成氧化鈣分子時(shí)，1個(gè)鈣原子只能和1個(gè)氧原子（而不能和其他個(gè)數(shù)的氧原子）相結(jié)合；碳原子和氧原子結(jié)合成二氧化碳分子時(shí)，1個(gè)碳原子只能和2個(gè)氧原子（而不能和其他個(gè)數(shù)的氧原子）相結(jié)合，等等。

【04】在化學(xué)里，一種元素的原子和一定數(shù)目其他元素的原子相互化合的性質(zhì)，叫做這種元素的化合價(jià)。

【05】在一般的化合物里，1個(gè)氫原子至多只能跟其他元素的1個(gè)原子化合。因此，現(xiàn)在化學(xué)上把氫原子的化合價(jià)規(guī)定為化合價(jià)的單位（即1價(jià)）。

【06】其他元素的化合價(jià)，可以根據(jù)這種元素的一個(gè)原子能和氫原子結(jié)合的個(gè)數(shù)來確定.例如：

【07】1個(gè)氯原子能和1個(gè)氫原子化合生成氯化氫分子， $HCl$ ，因此，在氯化氫分子里，氯原子的化合價(jià)是1價(jià)；

【08】1個(gè)氧原子能和2個(gè)氫原子化合生成水分子， $H_2O$ ，因此，在水分子里，氧原子的化合價(jià)是2價(jià)；

【09】1個(gè)氮原子能和3個(gè)氫原子化合生成氨分子， $NH_3$ ，因此，在氨分子里，氮原子的化合價(jià)是3價(jià)；

【10】1個(gè)碳原子能和4個(gè)氫原子化合生成甲烷分子， $CH_4$ ，因此，在甲烷分子里，碳原子的化合價(jià)是4價(jià)?！炯淄椋ㄍ橐簟巴辍保┧酌罢託狻?，是一種有機(jī)化合物，將在本書第四冊里詳細(xì)介紹】

【11】有些元素的原子不容易或者不能和氫原子直接化合，它們的化合價(jià)可以根據(jù)這種元素的一個(gè)原子能從含氫化合物（例如酸）里置換出的氫原子個(gè)數(shù)來確定。例如：1個(gè)鈉（Na）原子能從酸分子里置換出1個(gè)氫原子，生成氯化鈉分子 $NaCl$ ，化學(xué)方程式： $%5Cce%7B2Na%20%2B2HCl%3DH2%20%2B2NaCl%7D$ 【山注，B站專欄公式代碼\ce{2Na +2HCl=H2 +2NaCl}】因此，在氯化鈉分子里，鈉的化合價(jià)是1價(jià)；

【12】1個(gè)鋅（ $Zn$ ）原子能從酸分子里置換出2個(gè)氫原子，生成硫酸鋅分子 $ZnSO_4$ ，化學(xué)方程式： $%5Cce%7BZn%20%2BH2SO4%3DH2%20%2BZnSO4%7D$ ，因此在硫酸鋅分子里，鋅的化合價(jià)是2價(jià)。

化合價(jià)規(guī)則

【13】上面講到，在氯化氫（ $HCl$ ）、水（ $H_2O$ ）、氨（ $NH_3$ ）和甲烷（ $CH_4$ ）等含氫化合物的分子里，氯原子、氧原子、氮原子和碳原子的化合價(jià)分別是1價(jià)、2價(jià)、3價(jià)和4價(jià)。我們知道，氫原子的化合價(jià)是被規(guī)定為1價(jià)的。由此可以看出，在這些化合物里，兩種元素原子的化合價(jià)總數(shù)（即元素的化合價(jià)和原子數(shù)的乘積）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站專欄公式代碼——化合價(jià)總數(shù)=元素的化合價(jià)×原子數(shù)\\HCl……\begin{cases}氯原子的化合價(jià)總數(shù)=1×1=1 \\氫原子的化合價(jià)總數(shù)=1×1=1\end{cases}\\H_2O……\begin{cases}氧原子的化合價(jià)總數(shù)=2×1=2 \\氫原子的化合價(jià)總數(shù)=1×2=2\end{cases}\\NH_3……\begin{cases}氮原子的化合價(jià)總數(shù)=3×1=3 \\氫原子的化合價(jià)總數(shù)=1×3=3\end{cases}\\CH_4……\begin{cases}碳原子的化合價(jià)總數(shù)=4×1=4 \\氫原子的化合價(jià)總數(shù)=1×4=4\end{cases}】

【14】在任何由兩種元素組成的化合物里，甲元素的化合價(jià)總數(shù)必然和乙元素的化合價(jià)總數(shù)相等。即：甲元素的化合價(jià)×甲元素的原子數(shù)=乙元素的化合價(jià)×乙元素的原子數(shù)。這個(gè)關(guān)系，稱做化合價(jià)規(guī)則。

【15】例如，在氯化銅分子（分子式 $CuCl_2$ ）里，氯的化合價(jià)×氯原子數(shù)=銅的化合價(jià)×銅原子數(shù)：1×2-=2×1。

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

【17】因此，在由兩種元素組成的化合物里，如果其中一種元素的化合價(jià)是已知的，就可根據(jù)化合物的分子式，利用“化合價(jià)規(guī)則”，計(jì)算出另一種元素的化合價(jià)。

山箋1|| 化合價(jià)小記

（1）化合價(jià)與原子

【山】化合物有固定的組成，形成化合物的元素有固定的原子個(gè)數(shù)比，而這個(gè)比就與化合價(jià)相關(guān)?；蟽r(jià)有正負(fù)高低之分，而元素的化合價(jià)與該元素的離子電荷數(shù)一致。當(dāng)原子最外層電子是1/2/3時(shí)，其常見化合價(jià)分別為+1、+2、+3；當(dāng)原子最外層電子是6/7時(shí)，常見化合價(jià)分別為-2、-1。

（2）化合價(jià)與原子團(tuán)

【山】原子團(tuán)的化合價(jià)中大多為負(fù)價(jià)，但銨根是正價(jià)。原子團(tuán)是由幾個(gè)原子結(jié)合在一起的集團(tuán)，相當(dāng)于一個(gè)原子，原子團(tuán)又叫根，通常帶電荷形成離子。原子團(tuán)不是物質(zhì)，但是原子團(tuán)離子可以與帶相反電荷的離子一起構(gòu)成化合物。含有原子團(tuán)的化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，原子團(tuán)常整體反應(yīng)，但在一定條件下也會(huì)拆散反應(yīng)。另外酸根原子團(tuán)必是由某元素和氧元素組成，尤其，氯酸根為ClO??而不是Cl?。

例1.已知氧的化合價(jià)是2價(jià)，求氧化鋁（分子式是 $Al_2O_3$ ）里鋁原子的化合價(jià)。

【解】根據(jù)化合價(jià)規(guī)則，鋁的化合價(jià)×鋁原子數(shù)=氧的化合價(jià)×氧原子數(shù)，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站專欄公式代碼——鋁的化合價(jià)=\frac{氧的化合價(jià)×氧原子數(shù)}{鋁原子數(shù)} =\frac{2×3}{2} =3】

答：在氧化鋁里鋁原子的化合價(jià)是3價(jià)。

例2.已知氮的化合價(jià)是3價(jià)，求氮化鎂（分子式是 $Mg_3N_2$ ）里鎂的化合價(jià)。

【解】根據(jù)化合價(jià)規(guī)則可知，

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

答：在氮化鎂里鎂的化合價(jià)是2價(jià)。

【18】氫在它的一切化合物里都是1價(jià)；氧在它的一切化合物里都是2價(jià)，由于許多化合物里都含有氫元素或氧元素，因此記住了它們的化合價(jià)，在根據(jù)化合物分子式確定元素的化合價(jià)時(shí)，會(huì)有很大的方便。

不變化合價(jià)和可變化合價(jià)

【19】我們知道，元素的原子相互結(jié)合成為某種化合物的分子時(shí)，表現(xiàn)出一定的化合價(jià)。例如，碳和氧相互化合成二氧化碳時(shí)，1個(gè)碳原子只能和2個(gè)氧原子結(jié)合（在二氧化碳 $CO_2%0A$ 里，碳原子是4價(jià)）。但碳和氧相互化合時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)的條件不同，并不一定生成二氧化碳。例如，碳在空氣不充足的地方燃燒，除了生成二氧化碳外，還能生成一氧化碳（分子式 $CO$ ，在一氧化碳里碳原子是2價(jià)）。同樣，硫在不同條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，硫還能和氫化合生成硫化氫（分子式 $H_2S$ ）。在這些化合物里，硫原子的化合價(jià)分別是4價(jià)（在 $SO_2$ 中）、6價(jià)（在 $SO_3$ 中）和2價(jià)（在 $H_2S$ 中）。

【20】大多數(shù)元素，特別是非金屬元素，在不同的化合物里都能顯示出不同的化合價(jià).它們的化合價(jià)，稱做可變化合價(jià)。

【21】也有一些元素，它們在所有的化合物里，都表現(xiàn)出一種化合價(jià)，例如，鈉、鉀、氫等元素在一切化合物里都是1價(jià)，鋅、鈣、氧等元素在一切化合物里都是2價(jià)等。這些元素的化合價(jià)，稱做不變化合價(jià)。

【22】表2·1列出了幾種常見元素的化合價(jià)。

【23】雖然有些元素在不同的化合物里表現(xiàn)出不同的化合價(jià)，但其中常有一種化合價(jià)是比較主要的，在它的大多數(shù)化合物里，都表現(xiàn)出這種化合價(jià)。例如銅化合物里的銅原子有1價(jià)的，也有2價(jià)的，但2價(jià)銅的化合物是主要的。

山箋2||? 常見化合價(jià)小記

（1）常見化合價(jià)

【山】常見的化合物中氫+1價(jià)，氧-2價(jià)。金屬元素在化合物中長顯正價(jià)；非金屬元素跟氧化合時(shí)常顯正價(jià)，跟氫化合時(shí)常顯負(fù)價(jià)（例如HCl中Cl顯-1價(jià)，但ClO??中Cl顯+5價(jià)）；單質(zhì)的化合價(jià)為零價(jià)；化合物里元素化合價(jià)的代數(shù)和為零；有些元素在同一化合物中可能顯示不同化合價(jià)（例如NH?NO?中N顯示-3與+5價(jià)，體現(xiàn)了上述特征中，非金屬與氫和氧結(jié)合時(shí)的化合價(jià)差異）。?

（2）化合價(jià)口訣

【山】一價(jià)氫氯鉀鈉銀，二價(jià)氧鈣鋇鎂鋅。三鋁四硅五氮磷，二三鐵二四碳。二四六硫都齊全，銅汞二價(jià)最常見。氫一氧二為標(biāo)準(zhǔn)，單質(zhì)價(jià)態(tài)總為零。

【山】負(fù)一氫氧硝酸根；負(fù)二碳酸硫酸根；負(fù)三價(jià)是磷酸根；正一價(jià)的是銨根。

根據(jù)元素的化合價(jià)來書寫化合物的分子式

【24】在知道了元素的化合價(jià)（或它的主要化合價(jià)）后，就能根據(jù)“化合價(jià)規(guī)則”正確寫出化合物的分子式。【山語||? 既可以根據(jù)化合物中化合價(jià)代數(shù)和為零，由已知化合價(jià)推導(dǎo)未知化合價(jià)；也可用化合價(jià)檢查化合物的化學(xué)式。】現(xiàn)舉氧化鋁為例來說明這個(gè)問題（已知氧是2價(jià)，鋁是3價(jià)）：

【25】【第一步】先把組成這種化合物的元素符號(hào)寫出來（如果兩種元素中一種是金屬，一種是非金屬，一般都是把金屬元素符號(hào)寫在前面），即寫出 $AlO$ 。

【26】【第二步】在這兩種元素符號(hào)的右上角，用羅馬數(shù)字分別標(biāo)出它們的化合價(jià)，即 $Al%5E%7BIII%7DO%5E%7BII%7D$ 。

【27】【第三步】求出這兩種元素的化合價(jià)的最小公倍數(shù)，在現(xiàn)在這個(gè)例子里，3和2的最小公倍數(shù)是6。

【28】【第四步】把求得的最小公倍數(shù)分別用這兩種元素的化合價(jià)來除，得出的商就是這一元素在分子里應(yīng)有的原子個(gè)數(shù)，把它注在元素符號(hào)的右下角，這樣就寫出了這一化合物的分子式。在這個(gè)例子里，氧化鋁里面的鋁原子數(shù)=6/3=2，氧原子數(shù)=6/2=3，故氧化鋁的分子式是 $Al_2O_3$ 。

【29】【第五步】最后檢驗(yàn)一下寫出的分子式是否符合“化合價(jià)規(guī)則”，即鋁的化合價(jià)總數(shù)是否和氧的化合價(jià)總數(shù)相等：鋁的化合價(jià)×鋁的原子數(shù)=3×2=6，氧的化合價(jià)×氧的原子數(shù)=2×3=6。說明 $Al_2O_3$ 這個(gè)分子式是符合于“化合價(jià)規(guī)則”的。【山語|| 化學(xué)式中一般正價(jià)在前，負(fù)價(jià)在后（NH?、CH?等是例外）】

【30】如果兩種元素的化合價(jià)是相同的，書寫它們化合物的分子式時(shí)，只要進(jìn)行到第一步就完成了，例如，鈉和氯兩種元素都是1價(jià)，它們化合物（即氯化鈉）的分子式就是NaCl，又如鈣和氧兩種元素都是2價(jià)，它們化合物（即氧化鈣）的分子式就是CaO。【山語|| 兩種元素組成的化合物中，若已知化合物中各元素的化合價(jià)，可以使用最小公倍數(shù)法和十字交叉法確定化學(xué)式?！?/span>

【31】必須注意，分子式是用來表示某種物質(zhì)的分子組成的。因此，只有這種物質(zhì)確實(shí)是存在的，用來代表這種物質(zhì)的分子式才是有意義的。我們知道，并不是任何兩種元素都能化合生成化合物的，因此，也決不能認(rèn)為按照上述步驟寫出的符合于“化合價(jià)規(guī)則”的任何式子，都是有意義的分子式。例如，氮和鈉根本不能化合，根據(jù)“化合價(jià)規(guī)則”寫出的“分子式” $Na_3N$ （鈉是1價(jià)，氮是3價(jià)）所代表的“氮化鈉”也是根本不存在的，因此 $Na_3N$ 這個(gè)式子是沒有任何意義的。

【32】因此，在根據(jù)“化合價(jià)規(guī)則”書寫化合物的分子式時(shí)，首先必須確切知道這種化合物是真實(shí)存在的。

習(xí)題2-15

1、什么叫做元素的化合價(jià)？什么是化合價(jià)規(guī)則？

【山答】

①在化學(xué)里，一種元素的原子和一定數(shù)目其他元素的原子相互化合的性質(zhì)，叫做這種元素的化合價(jià)。

②在任何由兩種元素組成的化合物里，甲元素的化合價(jià)總數(shù)必然和乙元素的化合價(jià)總數(shù)相等。

2、確定下列化合物里各種金屬元素的化合價(jià)（已知氧是2價(jià)，氫是1價(jià)，氯是1價(jià)）：

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

【山答】1/2/4/2/4。

3、

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

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

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

(4)氮、硫、磷的化合價(jià)是不變的還是可變的？【山答】可變。

4、根據(jù)下列化學(xué)方程式，確定(1)中鉀(K)，(2)中鎂(Mg)，(3)中鋁(AI)的化合價(jià)：

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