確定元素化合價(jià)方法例析
）
中學(xué)化學(xué)中確定元素的化合價(jià),一般是從常見(jiàn)元素的化合價(jià)入手考慮的.例如,確定K2MnO4中Mn元素的化合價(jià),是從K元素為+1價(jià),O元素為-2價(jià)入手,然后根據(jù)化合物中元素化合價(jià)的代數(shù)和為零,確定出Mn元素的化合價(jià)為+6價(jià).筆者認(rèn)為,除了熟練常握上述確定元素化合價(jià)的方法以外,還應(yīng)學(xué)會(huì)從以下幾方面來(lái)確定元素的化合價(jià).
一．根據(jù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)確定元素的化合價(jià)
例1．用稀硫酸酸化的雙氧水溶液中,加入乙醚后液體分層,再加入少量重鉻酸鉀溶液并振蕩,在乙醚層中出現(xiàn)深藍(lán)色,這是因?yàn)樯傻腃rO5溶于乙醚所致.CrO5的結(jié)構(gòu)如右圖.上述反應(yīng)的離子方程式為：Cr2O72- +4H2O2+2H+=2CrO5+5H2O.下列敘述中不正確的是（ ）
A．Cr2O72- 被氧化成CrO5 B．H2O2被還原成H2O
C．該反應(yīng)不屬于氧化還原反應(yīng) D．此反應(yīng)可用于檢驗(yàn)Cr2O72-
分析：解本題的關(guān)鍵是確定Cr元素和O元素的化合價(jià).本題容易錯(cuò)誤地把CrO5中O元素的化合價(jià)確定為-2價(jià),從而得出Cr元素為+10價(jià),該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng),答案選為C.其實(shí),Cr元素與O元素形成共價(jià)鍵時(shí),Cr元素吸引電子對(duì)的能力弱于O元素,從CrO5的結(jié)構(gòu)不難看出,Cr與O共形成了6個(gè)價(jià)鍵,且有2個(gè)過(guò)氧鍵.因此在CrO5中Cr元素的化合價(jià)為+6價(jià),其中1個(gè)O為-2價(jià),4個(gè)O為-1價(jià),反應(yīng)前后元素的化合價(jià)并沒(méi)有改變.故答案應(yīng)為A、B.
又如異氰酸(HNCO),其結(jié)構(gòu)是H－N＝C＝O,由于N元素吸引電子對(duì)的能力強(qiáng)于C元素,由結(jié)構(gòu)可看出其中N元素為-3價(jià),C元素為+4價(jià).
例2．固體A的化學(xué)式為NH5,它的所有原子的最外層都符合相應(yīng)稀有氣體原子的最外電子層結(jié)構(gòu).指出NH5中元素的化合價(jià),并寫(xiě)出其電子式.
分析：N原子、H原子的最外層都符合稀有氣體原子的最外層電子結(jié)構(gòu),可推知N原子應(yīng)為八電子結(jié)構(gòu),H原子應(yīng)為二電子結(jié)構(gòu),即在NH5中N原子與4個(gè)H原子應(yīng)形成3個(gè)共價(jià)鍵,1個(gè)配位鍵,成為銨根離子,另一個(gè)H原子應(yīng)成為陰離子.故在NH5中,N元素為-3價(jià),其中4個(gè)H為+1價(jià),另一個(gè)H為-1價(jià)；NH5的電子式為(如圖).
二．根據(jù)元素在周期表中的位置確定元素的化合價(jià)
例3．S2O8n- 離子在一定條件下可把Mn2+ 離子氧化成MnO4-離子,若反應(yīng)后S2O8n- 離子變?yōu)镾O42- 離子；又已知反應(yīng)中氧化劑與還原劑的離子數(shù)之比為5∶2.則S2O8n-中n的值和S元素的化合價(jià)是（ ）
A．2 ；+7 B．2 ；+6 C．4 ；+7 D．4 ；+6
分析：本題易錯(cuò)設(shè)S元素的化合價(jià)在反應(yīng)中降低X價(jià),然后根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得、失電子總數(shù)相等列式,即5×2X=2×5,解得X=1,從而得出S2O8n-離子中S元素的化合價(jià)是+7價(jià),由S2O8n-離子中O元素為-2價(jià),求得n=2,得出答案為A.其實(shí),S元素位于元素周期表中的第ⅥA族,由于主族元素的最高正價(jià)數(shù)等于其族數(shù),所以S元素的最高正價(jià)應(yīng)為+6價(jià),則S元素在反應(yīng)前后的化合價(jià)沒(méi)有變化,由此可推知作為氧化劑的S2O8n- 離子中必存在著-1價(jià)的氧,在反應(yīng)中-1價(jià)的氧元素化合價(jià)降低到-2價(jià).設(shè)S2O8n-離子中-1價(jià)的氧為Y個(gè),根據(jù)氧化還原反應(yīng)中得、失電子總數(shù)相等列式,即5×Y=2×5,求得Y=2.因此S2O8n- 離子中-1價(jià)的氧為2個(gè),-2價(jià)的氧為6個(gè),可求得n=2.正確答案應(yīng)為B.
又如過(guò)硝酸鈉（NaNO4）中,N元素位于元素周期表中的第ⅤA族,其最高正價(jià)為+5價(jià),由此可推知NaNO4中,有2個(gè)氧為-2價(jià),2個(gè)氧為-1價(jià).
三．根據(jù)元素的非金屬性確定元素的化合價(jià)
例4．長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為氟的含氧酸不可能存在,但是,自1971年斯圖杰爾和阿佩里曼（美國(guó)）成功地合成次氟酸后,這種觀點(diǎn)被強(qiáng)烈地動(dòng)搖了.他們?cè)?℃以下將氟從細(xì)冰末的上面通過(guò),得到毫克量的次氟酸.請(qǐng)寫(xiě)出次氟酸的結(jié)構(gòu)式,并指出各元素的化合價(jià).
分析：氟與氯是同主族元素,與次氯酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類(lèi)比,不難寫(xiě)出次氟酸的結(jié)構(gòu)式為H—O—F；在次氯酸（HClO）中,Cl元素為+1價(jià),但在次氟酸中氟元素的化合價(jià)不能與次氯酸中的氯元素進(jìn)行類(lèi)比,因?yàn)镕元素吸引電子對(duì)的能力比O元素強(qiáng),在次氟酸中F元素呈-1價(jià),H元素為+1價(jià),則O元素呈零價(jià).
又如甲醛（HCHO）中碳元素的化合價(jià)也為零價(jià).由此可見(jiàn),元素在化合物中的化合價(jià)也可能是零價(jià).
例5．本世紀(jì)初期,化學(xué)家合成出了NaBH4.在強(qiáng)堿性條件下NaBH4可使許多金屬離子還原成金屬原子,故被稱為萬(wàn)能還原劑.NaBH4極易溶于水并與水反應(yīng)產(chǎn)生H2,同時(shí)硼以BO2- 形式存在.試寫(xiě)出NaBH4與水反應(yīng)的離子方程式.
分析：解本題的關(guān)鍵是確定NaBH4中B元素和H元素的化合價(jià).B是第ⅢA族元素,當(dāng)B元素與H元素形成共價(jià)鍵時(shí),H元素吸引電子對(duì)的能力強(qiáng)于B元素.因此,在NaBH4中B元素的化合價(jià)為+3價(jià),H元素的化合價(jià)為-1價(jià),則B元素在反應(yīng)前后的化合價(jià)并沒(méi)有變化,NaBH4與水反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是NaBH4中-1價(jià)的H元素與水中+1價(jià)的H元素之間的氧化還原反應(yīng),其離子方程式為：BH4-+2H2O= BO2-+4H2↑.
可見(jiàn),B元素與其它非金屬元素化合時(shí)呈+3價(jià)；H元素與金屬元素及B元素化合時(shí)呈-1價(jià),H元素與除B以外的非金屬元素形成共價(jià)鍵時(shí)呈+1價(jià).
四．根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)確定元素的化合價(jià)
例6．金屬鐵分別與單質(zhì)Cl2、Br2反應(yīng)可以制得氯化鐵、溴化鐵,當(dāng)把鐵粉與碘粉混在一起研磨時(shí),則生成相當(dāng)于Fe3I8的產(chǎn)物,在此產(chǎn)物中鐵元素的化合價(jià)是 .根據(jù)鐵元素的化合價(jià)把產(chǎn)物Fe3I8寫(xiě)成碘化物形式應(yīng)為 .
分析：根據(jù)已學(xué)知識(shí)可知鐵元素有+2、+3價(jià),如果僅僅依據(jù)金屬鐵分別與單質(zhì)Cl2、Br2反應(yīng)可以制得氯化鐵、溴化鐵的信息進(jìn)行類(lèi)推,得出Fe3I8中鐵元素為+2、+3價(jià),產(chǎn)物Fe3I8寫(xiě)成碘化物形式為2FeI3•FeI2,則是錯(cuò)誤的.原因是Fe3+離子有較強(qiáng)的氧化性,能氧化I-離子,亦即Fe3+、I-不能共存.其實(shí),鹵族元素的原子隨著原子序數(shù)的增大,半徑增大,元素的非金屬性減弱,單質(zhì)碘與變價(jià)金屬反應(yīng)時(shí)只能將變價(jià)金屬氧化為低價(jià)態(tài).故在產(chǎn)物Fe3I8中,鐵元素只呈+2價(jià),碘元素的化合價(jià)是-1價(jià)和零價(jià),Fe3I8寫(xiě)成碘化物形式應(yīng)為3FeI2•I2.
五．根據(jù)化學(xué)反應(yīng)確定元素的化合價(jià)
例7．目前,世界各國(guó)不少科學(xué)家致力于高效、安全、無(wú)毒的飲用水消毒劑的研究.一氯氨（NH2Cl）在中性或酸性條件下是一種強(qiáng)消毒殺菌劑,常用于城市自來(lái)水消毒,其原理是一氯氨溶于水發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)產(chǎn)生殺菌物.寫(xiě)出此反應(yīng)的化學(xué)方程式,并指出一氯氨中N元素和Cl元素的化合價(jià).
分析：解本題的關(guān)鍵是對(duì)題干信息的攝取,即一氯氨溶于水發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)產(chǎn)生殺菌物,根據(jù)已學(xué)的知識(shí)不難推出殺菌物應(yīng)為HClO,反應(yīng)的化學(xué)方程式為：NH2Cl+H2O=NH3+HClO.由于此反應(yīng)是復(fù)分解反應(yīng),反應(yīng)前后元素的化合價(jià)沒(méi)有變化,則一氯氨中N元素為-3價(jià),Cl元素為+1價(jià).
又如NCl3中N元素為-3價(jià).可見(jiàn)N元素與Cl元素形成共價(jià)鍵時(shí),N元素呈負(fù)價(jià).
例8．G、Q、X、Y、Z均為含氯元素的物質(zhì).我們不了解它們的化學(xué)式,但知道它們?cè)谝欢l件下具有如下的轉(zhuǎn)變關(guān)系（未配平）： ①G→Q+NaCl
②Q+H2O X+H2 ③Y+NaOH→G+Q+H2O ④Z+NaOH→Q+X+H2O
這五種化合物中氯的化合價(jià)由低到高的順序?yàn)椋?）
A．QGZYX B．GYQZX C．GYZQX D．ZXGYQ
分析：根據(jù)氧化還原反應(yīng)中元素化合價(jià)升降總數(shù)相等這一規(guī)律,對(duì)于反應(yīng)①中,G→NaCl,Cl元素的化合價(jià)降低,則G→Q,其中Cl元素的化合價(jià)必然升高,亦即Q中氯的化合價(jià)高于G中氯的化合價(jià)；同理,由②可判斷X中氯的化合價(jià)高于Q中氯的化合價(jià)；由③并結(jié)合Q中氯的化合價(jià)高于G中氯的化合價(jià),可判斷Q中氯的化合價(jià)高于Y中氯的化合價(jià)高于G中氯的化合價(jià)；由④并結(jié)合X中氯的化合價(jià)高于Q中氯的化合價(jià),可判斷氯的化合價(jià)是X中氯的化合價(jià)高于Z中氯的化合價(jià)高于Q中氯的化合價(jià).綜合之,答案為B.
六．根據(jù)離子反應(yīng)前后電荷守恒確定元素的化合價(jià)
例9．在一定條件下,RO3n-和氟氣可發(fā)生反應(yīng)：RO3n-+F2+2OH- =RO4-+
2F-+H2O.則在RO3n-中,元素R的化合價(jià)是（ ）
A．+4 B．+5 C．+6 D．+7
分析：本題若能求出RO3n-中的n值,其R的化合價(jià)就不難確定.從題給出的離子方程式不難發(fā)現(xiàn),反應(yīng)后微粒所帶的總負(fù)電荷為3個(gè)單位,那么反應(yīng)前微粒所帶的總負(fù)電荷也應(yīng)為3個(gè)單位,所以n=1.在RO3n-中O元素為-2價(jià),則R的化合價(jià)應(yīng)為+5價(jià).答案是B.
七．根據(jù)氧化還原反應(yīng)電子得失總數(shù)相等確定元素的化合價(jià)
例10．某單質(zhì)能與足量濃硝酸反應(yīng)放出NO2氣體,若參加反應(yīng)的單質(zhì)和硝酸的物質(zhì)的量之比為1∶a,則該元素在反應(yīng)中所顯示的化合價(jià)可能是（ ）
A．+2a B．+a C．+a/2 D．+a/4
分析：與濃硝酸反應(yīng)的單質(zhì)可能是金屬或非金屬.設(shè)組成該單質(zhì)的元素在反應(yīng)中所顯示的化合價(jià)為+X價(jià).當(dāng)單質(zhì)為金屬時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物中必有硝酸鹽生成, 1mol單質(zhì)能還原HNO3的物質(zhì)的量為a-Xmol,且濃硝酸的還原產(chǎn)物是NO2,根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子得失總數(shù)相等的規(guī)律,則有X= a-X,即X= a/2；當(dāng)單質(zhì)為非金屬時(shí),1mol單質(zhì)能把a(bǔ) mol HNO3全部還原成NO2氣體,則有X= a.故答案為B、C.
例11．用0.2mol/L Na2SO3溶液32mL還原含2×10－3mol X2O72-的溶液,過(guò)量的Na2SO3用0.1mol/L酸性KMnO4溶液氧化（KMnO4被還原成Mn2+）,共消耗酸性KMnO4溶液1.6mL,則元素X在產(chǎn)物中的化合價(jià)為（ ）
A．+1 B．+2 C．+3 D．+4
分析：氧化還原反應(yīng)中氧化劑得到電子的總數(shù)應(yīng)等于還原劑失去電子的總數(shù).設(shè)X2O72-離子在反應(yīng)過(guò)程中,X元素的化合價(jià)降低a價(jià),則有：
2×10－3mol×2a+0.1mol/L×1.6×10－3L×5=0.2mol/L×32×10－3L×2
解得a=3,在X2O72-中X的化合價(jià)為+6價(jià),所以元素X在產(chǎn)物中的化合價(jià)為+3價(jià).故答案為C.
八．根據(jù)化合物的式量確定元素的化合價(jià)
例12．某金屬元素的磷酸正鹽的式量為m,相同價(jià)態(tài)的該元素的硝酸鹽的式量為n.則該元素化合價(jià)的數(shù)值如果用m、n的代數(shù)式表示,可能有（ ）
A．一種 B．二種 C．三種 D．四種
分析：設(shè)金屬元素為M,其相對(duì)原子質(zhì)量為MR,在鹽中的化合價(jià)為+X價(jià).當(dāng)X=1,2,4,5等時(shí),則磷酸正鹽的化學(xué)式可表示為M3(PO4)X,當(dāng)X=3,6等時(shí),則磷酸正鹽的化學(xué)式可表示為M(PO4)X/3；硝酸鹽的化學(xué)式可表示為M(NO3)X,則有：3MR+95X=m或MR +95X/3=m；MR +62X=n,故X=(3n-m)/91或X=3(n-m)/91,答案為B.