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化合價
元素形成化合物時表現(xiàn)出來的性質(zhì)
化合價（英文：valence或 valency），是元素的一種重要性質(zhì)，與原子層結(jié)構(gòu)密切相關。化合價決定了該元素的原子可以與該元素結(jié)合的其他原子的數(shù)量。
基本信息
中文名
化合價
英文名
valence，valency
提出時間
1868年
相關人物
維克爾豪斯
研究對象
物質(zhì)結(jié)構(gòu)與作用力
運用領域
化學
化合價概念的提出經(jīng)過了一系列的歷史演變，隨著價鍵理論等相關研究的深入，逐漸分裂出共價、離子價、配位數(shù)、氧化數(shù)或氧化態(tài)等諸多概念。
化合價是研究分子結(jié)構(gòu)的核心概念，它對認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學反應和化學反應發(fā)生的條件等都具有重要的意義。
歷史由來
經(jīng)典化合價概念的發(fā)展
1852年，英國化學家愛德華·弗蘭克蘭（ Edward Frankland）在實驗中發(fā)現(xiàn)不同金屬與化合物間的“結(jié)合能力”有所區(qū)別。他首先提出：元素在生成化合物時盡管不同原子的性質(zhì)差別較大，但總要求結(jié)合一定數(shù)量的某種原子，例如二乙基錫僅與一個氧原子結(jié)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)稱為元素的“化合力”。
布朗的構(gòu)造式
弗蘭克蘭提出“化合力”的概念后并沒有為人所接受。1857年，德國化學家凱庫勒(Friedrich August Kekulé)和英國化學家?guī)炫?Archibald Scott Couper)獨立發(fā)展了弗蘭克蘭的觀點，他們使用“原子數(shù)”(atomicity)或“親合力單位”(affinity unit)來更清晰地表示“化合力”的概念。例如，氫元素最多僅與一個原子，因此氫的親合力單位為1，而碳元素總與四個“一原子性”元素的原子結(jié)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(shù)等價。1858 年，庫帕使用了一種用虛線連接原子的圖解式來描述其提出的概念。這種方式不是類型式，和分子構(gòu)造有關。
庫帕的圖解式
1864年，德國化學家邁爾(Julius Lothar Meyer)發(fā)展了凱庫勒和庫帕的理論，形成原子價學說。他首次使用原子價或化合價（Valence）這一術(shù)語來代替“原子數(shù)”和“親合力單位”。按照原子價學說，氫原子的原子價永遠是1價，其他原子可根據(jù)與氫原子的結(jié)合情況來確定。原子價學說以及“Valence”這一術(shù)語得到了普遍承認和應用。同年，蘇格蘭化學家布朗(A.C.Brown)提出了一種用于表示化合物化學特征的構(gòu)造式。
1868年，德國化學家維克爾豪斯(Wickelhous)把這些不同術(shù)語統(tǒng)一起來，簡化為現(xiàn)代所沿用的“價”( Valence)的概念。“價”可以表征為原子價( 對于原子 )和化合價(對于原子和原子團)。
1914一1919 年，美國化學家路易斯(Gilbert Newton Lewis)、德國化學家柯塞爾(Albrecht Kossel)、美國化學家朗繆爾(Irving Langmuir)和英國科學家西奇威克(Henry Sidgwick)等先后創(chuàng)立和發(fā)展了原子價的電子理論，將原子價劃分為共價和電價，指出了原子間的相互作用是價電子和各原子核的相互作用。
基于現(xiàn)代價鍵理論的化合價概念的建立
隨著19世紀初電價和共價理論的建立，經(jīng)典的價鍵理論日趨成熟。經(jīng)典的價鍵理論是基于牛頓力學框架對電子運動的描述，仍停留在定性層面。1927 年，英國化學家海特勒海特勒(Walter Heinrich Heitler)和德國化學家倫敦(Fritz London)第一次使用量子力學來研究化學領域問題，指出了化學鍵有共價鍵、離子鍵、配位鍵、金屬鍵 4 種，這是現(xiàn)代的化學鍵理論的開端。1931年，美國化學家鮑林(Linus Pauling)進一步推廣了海特勒和倫敦的研究，形成了現(xiàn)代價鍵理論，自此對電子運動的描述上升到定量計算的水平。1932年，美國化學家密里肯(Robert Sanderson Mulliken)等人從分子整體出發(fā)來說明化學鍵的形成，建立了分子軌道理論。1952年，英國化學家歐格爾(Leslie Orgel)將分子軌道理論和晶體場理論結(jié)合起米，提出了配位場理論。價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論等三大理論基礎的形成標志著現(xiàn)代價鍵理論的逐漸完善，人類對化學鍵的認識也深入到電子水平。
基本概念
定義
化合價也稱為原子價，是元素的一種重要性質(zhì)。它指的是某個原子(或原子團)與其他原子(或原子團)化合時的成鍵能力，決定了該元素的原子可以與該元素結(jié)合的其他原子的數(shù)量。在數(shù)值上，化合價等于原子間得失的電子數(shù)或者偏移的共用電子對數(shù)。化合價有正有負，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為-2，氫原子的化合價為+1價。
除了單個原子外，在一些化合物中，存在著一些帶電的原子團，它們在與其它化合物反應時常作為一個整體，這種原子團，也稱為根。例如，氯化銨的化學式為NH4Cl，它由一個銨根離子NH4和氯離子Cl結(jié)合而成。其中氨根離子的化合價為+1價，氯原子的化合價為-1價。
除了描述原子與不同元素原子結(jié)合的情況外，化合價還泛指分子中原子間的相互作用，因此化合價與化學鍵理論密切相關。化合價是研究分子結(jié)構(gòu)的核心概念，它對認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學反應和化學反應發(fā)生的條件等都具有重要的意義。
分類
化合價的本質(zhì)是核外價電子的結(jié)合，從而達到原子核外最外層2電子或8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于某原子的化合價只有在其與其他元素的原子結(jié)合時才能體現(xiàn)，因此在單質(zhì)中，元素的化合價為零。在不同種類的化合物中，這種結(jié)合方式有所不同，化合價的定義也有所區(qū)別。
共價化合物
共價化合物中，原子間是通過各提供一個電子形成共用電子的方式結(jié)合的，把化學鍵數(shù)和化合價聯(lián)系起來，化合價也稱為共價。某個原子的化合價（共價）在數(shù)值上等于該原子與其他原子形成的共用電子對數(shù)，其正負由電子對的偏移決定。電子對偏向該原子，其化合價為負價，電子對偏離該原子，其化合價為正價。例如，水分子H2O中，氧原子與每個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為-2價；每個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為+1價。
離子化合物
在離子化合物中，原子間存在著電子得失形成離子。離子的電荷數(shù)可看成離子的化合價，化合價也稱離子價或電價。離子化合物中某個原子的化合價在數(shù)值上等于其得失電子數(shù)，其正負取決該原子得到或失去電子，原子得到電子，其化合價為負價；原子失去電子，其化合價為正價。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電子，化合價為+1價，氯原子得到一個電子，其化合價為-1價。
配位化合物
在部分共價化合物中，存在著共用電子對的兩個電子均由一個有孤對電子的原子提供，而另一個原子提供空軌道的情況，這種成鍵類型被稱為配位鍵，對應的化合物被稱為配位化合物，簡稱配合物或者絡合物，此時其化合價也稱為配價。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的變化。例如，在CuSO4溶液中加入過量NH3，會形成[Cu(NH3)4]的配合物，實質(zhì)上該配合物是由Cu和4個NH3分子以配位鍵的形式結(jié)合，結(jié)合后Cu原子仍顯+2價，NH3分子整體仍為0價。
推斷方法
規(guī)律
在實際運用中，可以根據(jù)物質(zhì)化學式推求元素化合價，也可以根據(jù)元素化合價推求物質(zhì)化學式，具體有以下規(guī)律和原則。化合價和化學式之間有密切的聯(lián)系。知道了元素的化合價,可以根據(jù)成分元素的化合價推求實際存在的化合物中元素原子的個數(shù)比,從而寫出化合物的化學式。
- 化合價通常為整數(shù)。
- 金屬元素通常顯正價，非金屬元素通常顯負價。
- 有些元素可以顯多種化合價，例如鐵有+2價和+3價。
- 化合價的正負表示的是攜帶正（負）電荷數(shù)，無代數(shù)上的大小區(qū)分。
- 單質(zhì)中元素的化合價為零，化合物中所有原子的化合價代數(shù)為零。
- 離子化合物中元素的化合價(電價)在數(shù)值上等于化合物中離子所帶的電荷數(shù)。
- 共價化合物中元素的化合價(共價)是指與共價鍵相對應的化合價,即由元素的原子間共用電子對而成的化合價。在數(shù)值上等于原子間的共用電子對數(shù)。
- 非金屬元素與金屬素化合時通常顯負價，與氧元素化合時通常顯正價。
- 化合價與該元素的原子結(jié)構(gòu)密切相關，一般由最外層（可能包括次外層）電子數(shù)決定。通常，金屬的化合價一般等于原子最外層電子數(shù)，非金屬的最高正價通常也等于原子最外層電子數(shù)，且非金屬原子的負價與最高正價的絕對值之和為8。
- 原子團的化合價也叫根價，在數(shù)值上與這個原子團所帶的電荷數(shù)相等。
示例
- 碘酸鉀的化學式為KIO3，求碘元素的化合價。
根據(jù)化合價推斷的規(guī)律，鉀元素為+1價，氧元素為-2價，假設碘元素的化合價為x，根據(jù)化合物中所有原子的化合價代數(shù)為零，可得：
解得碘元素的化合價為+5。
- 已知某種磷的氧化物中磷為+5價，氧為-2價，寫出這種磷的氧化物的化學式。
假設這種氧化物的化學式為PxOy根據(jù)化合物中所有原子的化合價代數(shù)為零，可得：
解得
表示方法
化學式
在化學式中，元素的化合價應寫在元素符號的正上方，另外要注意化合價表示為+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，應該標記為：
離子符號 | 化合價 | |
位置 | 元素符號的右上角 | 元素符號的正上方 |
正、負號 | 在數(shù)字后 | 在數(shù)字前 |
數(shù)值 | 在正、負號之前，"1"要省略 | 在正、負號之后，"1"不能省略 |
實例 |  |  |
化合價與離子符號的書寫區(qū)分，資料來源于 | ||
結(jié)構(gòu)式
在化合物的結(jié)構(gòu)式中，某個原子的化合價的絕對值等于與其相連的化學鍵總數(shù)。例如，水分子結(jié)構(gòu)式為
常見元素的化合價
名稱 | 符號 | 常見的化合價 | 名稱 | 符號 | 常見的化合價 |
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 |
常見元素的化合價，資料來源于 | |||||
氧化數(shù)
氧化數(shù)又稱為氧化態(tài)，是物質(zhì)中原子氧化程度的量度。氧化數(shù)是人為性、經(jīng)驗性的概念，是按照一定規(guī)則和經(jīng)驗人為指定的一個數(shù)值，用來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問題中，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，相較于化合價的概念更加直觀簡單。
與化合價只能為整數(shù)不同，氧化數(shù)可以為分數(shù)。例如，四氧化三鐵的化學式為Fe3O4，其中鐵的氧化數(shù)為8/3。事實上，四氧化三鐵為一種混合氧化物，其化學式可改寫為：Fe2O3·FeO。此外，在超氧化物中，氧原子的氧化數(shù)為-1/2等。
需要指出的是，在中學階段，由于沒有引入“氧化數(shù)”的概念，在定義氧化還原反應時將其描述為“化合價存在變化”是不嚴謹?shù)模瑧褂谩把趸瘮?shù)”來替代“化合價”。此外，一般所說的某元素的正、負化合價，除了是電價與氧化數(shù)一致以外，實際上指的也是氧化數(shù)。
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