化合價(jià)（元素形成化合物時(shí)表現出來(lái)的性質(zhì)）
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化合價(jià)
元素形成化合物時(shí)表現出來(lái)的性質(zhì)
化合價(jià)（英文：valence或 valency），是元素的一種重要性質(zhì)，與原子層結構密切相關(guān)?；蟽r(jià)決定了該元素的原子可以與該元素結合的其他原子的數量。
基本信息
中文名
化合價(jià)
英文名
valence，valency
提出時(shí)間
1868年
相關(guān)人物
維克爾豪斯
研究對象
物質(zhì)結構與作用力
運用領(lǐng)域
化學(xué)
化合價(jià)概念的提出經(jīng)過(guò)了一系列的歷史演變，隨著(zhù)價(jià)鍵理論等相關(guān)研究的深入，逐漸分裂出共價(jià)、離子價(jià)、配位數、氧化數或氧化態(tài)等諸多概念。
化合價(jià)是研究分子結構的核心概念，它對認識物質(zhì)結構、化學(xué)反應和化學(xué)反應發(fā)生的條件等都具有重要的意義。
歷史由來(lái)
經(jīng)典化合價(jià)概念的發(fā)展
1852年，英國化學(xué)家愛(ài)德華·弗蘭克蘭（ Edward Frankland）在實(shí)驗中發(fā)現不同金屬與化合物間的“結合能力”有所區別。他首先提出：元素在生成化合物時(shí)盡管不同原子的性質(zhì)差別較大，但總要求結合一定數量的某種原子，例如二乙基錫僅與一個(gè)氧原子結合，而單質(zhì)錫與氧至少存在兩種化合方式。他將這種性質(zhì)稱(chēng)為元素的“化合力”。
布朗的構造式
弗蘭克蘭提出“化合力”的概念后并沒(méi)有為人所接受。1857年，德國化學(xué)家凱庫勒(Friedrich August Kekulé)和英國化學(xué)家庫帕(Archibald Scott Couper)獨立發(fā)展了弗蘭克蘭的觀(guān)點(diǎn)，他們使用“原子數”(atomicity)或“親合力單位”(affinity unit)來(lái)更清晰地表示“化合力”的概念。例如，氫元素最多僅與一個(gè)原子，因此氫的親合力單位為1，而碳元素總與四個(gè)“一原子性”元素的原子結合，因而碳的親合力單位為4，并且各種元素在不同化合物中總是傾向于遵循親合力單位數等價(jià)。1858 年，庫帕使用了一種用虛線(xiàn)連接原子的圖解式來(lái)描述其提出的概念。這種方式不是類(lèi)型式，和分子構造有關(guān)。
庫帕的圖解式
1864年，德國化學(xué)家邁爾(Julius Lothar Meyer)發(fā)展了凱庫勒和庫帕的理論，形成原子價(jià)學(xué)說(shuō)。他首次使用原子價(jià)或化合價(jià)（Valence）這一術(shù)語(yǔ)來(lái)代替“原子數”和“親合力單位”。按照原子價(jià)學(xué)說(shuō)，氫原子的原子價(jià)永遠是1價(jià)，其他原子可根據與氫原子的結合情況來(lái)確定。原子價(jià)學(xué)說(shuō)以及“Valence”這一術(shù)語(yǔ)得到了普遍承認和應用。同年，蘇格蘭化學(xué)家布朗(A.C.Brown)提出了一種用于表示化合物化學(xué)特征的構造式。
1868年，德國化學(xué)家維克爾豪斯(Wickelhous)把這些不同術(shù)語(yǔ)統一起來(lái)，簡(jiǎn)化為現代所沿用的“價(jià)”( Valence)的概念?！皟r(jià)”可以表征為原子價(jià)( 對于原子 )和化合價(jià)(對于原子和原子團)。
1893年，瑞士化學(xué)家維爾納(Alfred Werner)提出配位場(chǎng)理論，擴充完善了原子價(jià)學(xué)說(shuō)的概念。配位場(chǎng)理論的提出，對于無(wú)機化學(xué)尤其是配合物化學(xué)的發(fā)展起到了重大作用。
1914一1919 年，美國化學(xué)家路易斯(Gilbert Newton Lewis)、德國化學(xué)家柯塞爾(Albrecht Kossel)、美國化學(xué)家朗繆爾(Irving Langmuir)和英國科學(xué)家西奇威克(Henry Sidgwick)等先后創(chuàng )立和發(fā)展了原子價(jià)的電子理論，將原子價(jià)劃分為共價(jià)和電價(jià)，指出了原子間的相互作用是價(jià)電子和各原子核的相互作用。
基于現代價(jià)鍵理論的化合價(jià)概念的建立
隨著(zhù)19世紀初電價(jià)和共價(jià)理論的建立，經(jīng)典的價(jià)鍵理論日趨成熟。經(jīng)典的價(jià)鍵理論是基于牛頓力學(xué)框架對電子運動(dòng)的描述，仍停留在定性層面。1927 年，英國化學(xué)家海特勒海特勒(Walter Heinrich Heitler)和德國化學(xué)家倫敦(Fritz London)第一次使用量子力學(xué)來(lái)研究化學(xué)領(lǐng)域問(wèn)題，指出了化學(xué)鍵有共價(jià)鍵、離子鍵、配位鍵、金屬鍵 4 種，這是現代的化學(xué)鍵理論的開(kāi)端。1931年，美國化學(xué)家鮑林(Linus Pauling)進(jìn)一步推廣了海特勒和倫敦的研究，形成了現代價(jià)鍵理論，自此對電子運動(dòng)的描述上升到定量計算的水平。1932年，美國化學(xué)家密里肯(Robert Sanderson Mulliken)等人從分子整體出發(fā)來(lái)說(shuō)明化學(xué)鍵的形成，建立了分子軌道理論。1952年，英國化學(xué)家歐格爾(Leslie Orgel)將分子軌道理論和晶體場(chǎng)理論結合起米，提出了配位場(chǎng)理論。價(jià)鍵理論、分子軌道理論和配位場(chǎng)理論等三大理論基礎的形成標志著(zhù)現代價(jià)鍵理論的逐漸完善，人類(lèi)對化學(xué)鍵的認識也深入到電子水平。
基本概念
定義
化合價(jià)也稱(chēng)為原子價(jià)，是元素的一種重要性質(zhì)。它指的是某個(gè)原子(或原子團)與其他原子(或原子團)化合時(shí)的成鍵能力，決定了該元素的原子可以與該元素結合的其他原子的數量。在數值上，化合價(jià)等于原子間得失的電子數或者偏移的共用電子對數?；蟽r(jià)有正有負，表示原子的電子得失或者共用電子對的偏移。例如，水的分子式為H2O，其中氧原子的化合價(jià)為-2，氫原子的化合價(jià)為+1價(jià)。
除了單個(gè)原子外，在一些化合物中，存在著(zhù)一些帶電的原子團，它們在與其它化合物反應時(shí)常作為一個(gè)整體，這種原子團，也稱(chēng)為根。例如，氯化銨的化學(xué)式為NH4Cl，它由一個(gè)銨根離子NH4和氯離子Cl結合而成。其中氨根離子的化合價(jià)為+1價(jià)，氯原子的化合價(jià)為-1價(jià)。
除了描述原子與不同元素原子結合的情況外，化合價(jià)還泛指分子中原子間的相互作用，因此化合價(jià)與化學(xué)鍵理論密切相關(guān)?；蟽r(jià)是研究分子結構的核心概念，它對認識物質(zhì)結構、化學(xué)反應和化學(xué)反應發(fā)生的條件等都具有重要的意義。
分類(lèi)
化合價(jià)的本質(zhì)是核外價(jià)電子的結合，從而達到原子核外最外層2電子或8電子的穩定結構。由于某原子的化合價(jià)只有在其與其他元素的原子結合時(shí)才能體現，因此在單質(zhì)中，元素的化合價(jià)為零。在不同種類(lèi)的化合物中，這種結合方式有所不同，化合價(jià)的定義也有所區別。
共價(jià)化合物
共價(jià)化合物中，原子間是通過(guò)各提供一個(gè)電子形成共用電子的方式結合的，把化學(xué)鍵數和化合價(jià)聯(lián)系起來(lái)，化合價(jià)也稱(chēng)為共價(jià)。某個(gè)原子的化合價(jià)（共價(jià)）在數值上等于該原子與其他原子形成的共用電子對數，其正負由電子對的偏移決定。電子對偏向該原子，其化合價(jià)為負價(jià)，電子對偏離該原子，其化合價(jià)為正價(jià)。例如，水分子H2O中，氧原子與每個(gè)氫原子各形成一對共用電子對，氧原子有兩對共用電子對，電子對偏向氧原子，因此水分子中的氧化合價(jià)為-2價(jià)；每個(gè)氫原子有一對共用電子對，電子對偏離氫原子，因此水分子中的氫原子的化合價(jià)為+1價(jià)。
離子化合物
在離子化合物中，原子間存在著(zhù)電子得失形成離子。離子的電荷數可看成離子的化合價(jià)，化合價(jià)也稱(chēng)離子價(jià)或電價(jià)。離子化合物中某個(gè)原子的化合價(jià)在數值上等于其得失電子數，其正負取決該原子得到或失去電子，原子得到電子，其化合價(jià)為負價(jià)；原子失去電子，其化合價(jià)為正價(jià)。例如，氯化鈉為離子化合物，其分子式為NaCl，其中鈉原子失去了一個(gè)電子，化合價(jià)為+1價(jià)，氯原子得到一個(gè)電子，其化合價(jià)為-1價(jià)。
配位化合物
在部分共價(jià)化合物中，存在著(zhù)共用電子對的兩個(gè)電子均由一個(gè)有孤對電子的原子提供，而另一個(gè)原子提供空軌道的情況，這種成鍵類(lèi)型被稱(chēng)為配位鍵，對應的化合物被稱(chēng)為配位化合物，簡(jiǎn)稱(chēng)配合物或者絡(luò )合物，此時(shí)其化合價(jià)也稱(chēng)為配價(jià)。需要指出的是，由于配位鍵不存在電子的得失或者電子對的偏移，因此對應的元素不存在化合價(jià)的變化。例如，在CuSO4溶液中加入過(guò)量NH3，會(huì )形成[Cu(NH3)4]的配合物，實(shí)質(zhì)上該配合物是由Cu和4個(gè)NH3分子以配位鍵的形式結合，結合后Cu原子仍顯+2價(jià)，NH3分子整體仍為0價(jià)。
推斷方法
規律
在實(shí)際運用中，可以根據物質(zhì)化學(xué)式推求元素化合價(jià)，也可以根據元素化合價(jià)推求物質(zhì)化學(xué)式，具體有以下規律和原則?；蟽r(jià)和化學(xué)式之間有密切的聯(lián)系。知道了元素的化合價(jià),可以根據成分元素的化合價(jià)推求實(shí)際存在的化合物中元素原子的個(gè)數比,從而寫(xiě)出化合物的化學(xué)式。
- 化合價(jià)通常為整數。
- 金屬元素通常顯正價(jià)，非金屬元素通常顯負價(jià)。
- 有些元素可以顯多種化合價(jià)，例如鐵有+2價(jià)和+3價(jià)。
- 化合價(jià)的正負表示的是攜帶正（負）電荷數，無(wú)代數上的大小區分。
- 單質(zhì)中元素的化合價(jià)為零，化合物中所有原子的化合價(jià)代數為零。
- 離子化合物中元素的化合價(jià)(電價(jià))在數值上等于化合物中離子所帶的電荷數。
- 共價(jià)化合物中元素的化合價(jià)(共價(jià))是指與共價(jià)鍵相對應的化合價(jià),即由元素的原子間共用電子對而成的化合價(jià)。在數值上等于原子間的共用電子對數。
- 非金屬元素與金屬素化合時(shí)通常顯負價(jià)，與氧元素化合時(shí)通常顯正價(jià)。
- 化合價(jià)與該元素的原子結構密切相關(guān)，一般由最外層（可能包括次外層）電子數決定。通常，金屬的化合價(jià)一般等于原子最外層電子數，非金屬的最高正價(jià)通常也等于原子最外層電子數，且非金屬原子的負價(jià)與最高正價(jià)的絕對值之和為8。
- 原子團的化合價(jià)也叫根價(jià)，在數值上與這個(gè)原子團所帶的電荷數相等。
示例
- 碘酸鉀的化學(xué)式為KIO3，求碘元素的化合價(jià)。
根據化合價(jià)推斷的規律，鉀元素為+1價(jià)，氧元素為-2價(jià)，假設碘元素的化合價(jià)為x，根據化合物中所有原子的化合價(jià)代數為零，可得：
解得碘元素的化合價(jià)為+5。
- 已知某種磷的氧化物中磷為+5價(jià)，氧為-2價(jià)，寫(xiě)出這種磷的氧化物的化學(xué)式。
假設這種氧化物的化學(xué)式為PxOy根據化合物中所有原子的化合價(jià)代數為零，可得：
解得
表示方法
化學(xué)式
在化學(xué)式中，元素的化合價(jià)應寫(xiě)在元素符號的正上方，另外要注意化合價(jià)表示為+n或-n，正負號在前不能成n十，“1”不能省略，例如，氯化鎂中的鎂元素為+2價(jià)，應該標記為：
離子符號 | 化合價(jià) | |
位置 | 元素符號的右上角 | 元素符號的正上方 |
正、負號 | 在數字后 | 在數字前 |
數值 | 在正、負號之前，"1"要省略 | 在正、負號之后，"1"不能省略 |
實(shí)例 |  |  |
化合價(jià)與離子符號的書(shū)寫(xiě)區分，資料來(lái)源于 | ||
結構式
在化合物的結構式中，某個(gè)原子的化合價(jià)的絕對值等于與其相連的化學(xué)鍵總數。例如，水分子結構式為
常見(jiàn)元素的化合價(jià)
名稱(chēng) | 符號 | 常見(jiàn)的化合價(jià) | 名稱(chēng) | 符號 | 常見(jiàn)的化合價(jià) |
鉀 | K | +1 | 氟 | CI | -1、+1、+5、+7 |
鈉 | Na | +1 | 溴 | Br | -1 |
銀 | Ag | +1 | 氧 | O | -2 |
鈣 | Ca | +2 | 硫 | S | -2、44、+6 |
鎂 | Mg | +2 | 碳 | C | +2、+4 |
鋇 | Ba | +2 | 硅 | Si | +4 |
銅 | Cu | +1、+2 | 氮 | N | -3、+2、+3、+4、+5 |
鐵 | Fe | +2、+3 | 磷 | P | -3、+3、+5 |
鋁 | AI | +3 | 氯氧根 | OH | -1 |
錳 | Mn | +2、+4、+6、+7 | 硝酸根 | NO3 | -1 |
鋅 | Zn | +2 | 硫酸根 | SO4 | -2 |
氫 | H | +1 | 碳酸根 | CO3 | -2 |
氟 | F | -1 | 銨根 | NH4 | +1 |
常見(jiàn)元素的化合價(jià)，資料來(lái)源于 | |||||
氧化數
氧化數又稱(chēng)為氧化態(tài)，是物質(zhì)中原子氧化程度的量度。氧化數是人為性、經(jīng)驗性的概念，是按照一定規則和經(jīng)驗人為指定的一個(gè)數值，用來(lái)表征元素在化合物中的形式電荷，主要用于氧化還原反應的相關(guān)問(wèn)題中，例如定義氧化劑、還原劑及氧化還原反應，配平氧化還原反應方程式，計算氧化還原當量，相較于化合價(jià)的概念更加直觀(guān)簡(jiǎn)單。
與化合價(jià)只能為整數不同，氧化數可以為分數。例如，四氧化三鐵的化學(xué)式為Fe3O4，其中鐵的氧化數為8/3。事實(shí)上，四氧化三鐵為一種混合氧化物，其化學(xué)式可改寫(xiě)為：Fe2O3·FeO。此外，在超氧化物中，氧原子的氧化數為-1/2等。
需要指出的是，在中學(xué)階段，由于沒(méi)有引入“氧化數”的概念，在定義氧化還原反應時(shí)將其描述為“化合價(jià)存在變化”是不嚴謹的，應使用“氧化數”來(lái)替代“化合價(jià)”。此外，一般所說(shuō)的某元素的正、負化合價(jià)，除了是電價(jià)與氧化數一致以外，實(shí)際上指的也是氧化數。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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