HSC 化学中的离子与共价化合物命名及化合价

假设题目要求你写出 iron(III) oxide 的化学式。以下哪一个看起来正确：\(\ce{FeO}\)、\(\ce{Fe2O3}\)，还是 \(\ce{Fe3O2}\)？

\(\ce{Fe3O2}\) 可能很容易让人觉得是正确答案。毕竟，名称中有「III」，而 oxide 的化合价是 2。但罗马数字并不是告诉你要写多少个铁原子，而是表示铁的氧化态。接著必须根据正、负电荷互相抵消的原则建立化学式。

因此得到 \(\ce{Fe2O3}\)。

这就是化学命名法的核心概念：名称和化学式包含不同种类的资讯，而你需要知道是哪一种资讯决定下标。

01三个很容易混淆的概念

在为化合物命名之前，先把三个相关概念分清楚：化合价、离子电荷和氧化态。

在 HSC 程度，化合价可以作为写化学式的实用捷径，尤其是对熟悉的单原子离子而言。镁通常形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，所以我们常说它的化合价是 2。氯通常形成 \(\mathrm{Cl}^{-}\)，所以它的化合价是 1。

但化合价和氧化态并不完全相同。

化合价通常写成没有正负号的整数。氧化态则有正负号，而且取决于所在的化合物。一种元素可以有多种氧化态。

例如，铁常见的形式包括 \(\mathrm{Fe}^{2+}\) 和 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)。这就是为甚么 iron(II) chloride 和 iron(III) chloride 这类名称需要使用罗马数字。

02离子化学式由电荷决定

可以把离子化合物想像成一场规矩非常严格的晚宴：每一份正电荷都必须由等量的负电荷抵消，否则谁都不能入座。

一个 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和一个 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 正好完全配平：

\[
(+1)+(-1)=0
\]

所以 sodium chloride 的化学式是 \(\ce{NaCl}\)。

现在试试镁和氯离子。一个 \(\mathrm{Mg}^{2+}\) 带有两个单位的正电荷，而每个 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 只能提供一个单位的负电荷。

因此需要两个氯离子：

\[
(+2)+2(-1)=0
\]

所以化学式是 \(\ce{MgCl2}\)。

晚宴的情境只是一个类比。离子固体并不是由一对一对独立的 \(\ce{MgCl2}\) 小分子组成，而是形成大型的三维晶格。\(\ce{MgCl2}\) 这个化学式表示的是离子的最简整数比。

值得记住的常见离子电荷

你不需要每次都从头推导每一种常见离子的电荷。

像硫酸根和硝酸根这样的多原子离子，在建立离子化学式时应视为一个完整的带电单位。

离子比例一定要约至最简

那么 calcium oxide 呢？

钙是 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，氧化物离子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。如果机械式地把两个 2 交叉过去，可能会得到 \(\ce{Ca2O2}\)。

但一个钙离子已经可以平衡一个氧化物离子：

\[
(+2)+(-2)=0
\]

因此最简比例是 \(1:1\)，所以化学式是：

\[
\ce{CaO}
\]

离子化学式必须使用最简整数比。

03多原子离子要保持完整

现在考虑 calcium nitrate。

钙是 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，而硝酸根是 \(\ce{NO3^-}\)。需要两个硝酸根离子：

\[
(+2)+2(-1)=0
\]

化学式是：

\[
\ce{Ca(NO3)2}
\]

括号很重要。下标 2 适用于整个硝酸根离子。

如果没有括号，\(\ce{CaNO3_2}\) 就不能正确表达其结构。

这里还隐含一条重要规则：平衡电荷时，不要改变多原子离子内部的下标。硝酸根是 \(\ce{NO3^-}\)。你不能只是为了让算式方便，就把它改成另一种氮、氧排列。

04离子化合物的命名

写化学式是一个方向。HSC 题目也同样可能给你一个化学式，要求你写出名称。

基本规则是：

1. 先写正离子的名称。
2. 再写负离子的名称。
3. 单原子负离子的英文名称结尾改为 -ide。
4. 多原子离子沿用既定名称。
5. 如果金属可以有不同的氧化态，使用罗马数字标明其氧化态。

例如：

留意其中没有出现甚么：di-、tri- 和 tetra- 这类前缀。

使用标准离子命名法时，不会把 \(\ce{MgCl2}\) 称为「magnesium dichloride」。\(1:2\) 的比例已经由电荷平衡决定，因此不需要数字前缀。

05从化学式找出金属的氧化态

假设题目给你 \(\ce{Cu2O}\)。

铜可以有多于一种氧化态，因此只说「copper oxide」会遗漏有用资讯。

要怎样找出罗马数字呢？

氧化物中的氧具有 \(-2\) 的氧化态。化合物呈电中性，所以所有氧化态加起来必须等于零。

设每个铜原子的氧化态为 \(x\)：

\[
2x+(-2)=0
\]

因此：

\[
2x=+2
\]

所以：

\[
x=+1
\]

因此 \(\ce{Cu2O}\) 是 copper(I) oxide。

06氧化态不等于离子的总电荷

遇到多原子离子时，这个区别尤其重要。

以硫酸根 \(\ce{SO4^2-}\) 为例。

整个硫酸根离子的电荷是 \(-2\)。这并不表示硫的氧化态是 \(-2\)。

氧的氧化态通常是 \(-2\)。因此四个氧原子共提供：

\[
4(-2)=-8
\]

离子内各原子的氧化态总和必须等于该离子的总电荷，也就是 \(-2\)。

设硫的氧化态为 \(x\)：

\[
x-8=-2
\]

所以：

\[
x=+6
\]

因此，硫在硫酸根中的氧化态是 \(+6\)，即使整个硫酸根离子的电荷是 \(-2\)。

这就是为甚么「电荷」和「氧化态」不应当作可以互换的词语。

掌握以下一组精简的氧化态规则，就能处理很多问题：

• 单独存在的元素，其氧化态是 \(0\)
• 单原子离子的氧化态等于它的离子电荷
• 在中性化合物中，所有氧化态相加等于 \(0\)
• 在多原子离子中，所有氧化态相加等于该离子的总电荷
• 氧通常是 \(-2\)
• 氢通常是 \(+1\)

「通常」这两个字很重要。化学中存在例外，当氧化与还原在课程中成为更重要的内容时，你会遇到其中一些例子。

07共价化合物使用不同的命名系统

现在考虑 \(\ce{N2O4}\)。

如果你尝试把它当作离子化合物处理，马上就会遇到问题。这里没有需要与阴离子进行电荷平衡的金属阳离子。

对简单的二元共价化合物而言，名称反而会告诉你化学式中有多少个各种原子。

试著预测 \(\ce{N2O4}\) 的名称。只写「nitrogen oxide」足够吗？

不够。氮和氧可以形成多种化合物，因此原子数量很重要。数字前缀会传递这项资讯。

对二元共价化合物而言：

• 先写第一种元素的名称
• 当第一种元素有多于一个原子时，使用数字前缀
• 第二种元素的英文名称使用 -ide 结尾
• 根据第二种元素的原子数使用前缀；只有一个原子时也要使用 mono-

第一种元素的 mono- 通常省略。

有些名称会把相邻的母音缩合。例如，mono + oxide 会变成 monoxide，而不是「monooxide」；tetra + oxide 会变成 tetroxide。

08离子还是共价？先判断，再使用命名规则

很多命名错误都是因为学生记得某条规则，却把它用在错误类型的化合物上。

先从组成判断。

例如：

• \(\ce{CaCl2}\)：钙是金属，所以使用离子命名法 -> calcium chloride
• \(\ce{NCl3}\)：氮和氯都是非金属，所以使用前缀 -> nitrogen trichloride
• \(\ce{CuSO4}\)：铜加硫酸根属于离子化合物 -> 判断铜的氧化态，得到 copper(II) sulfate

这条规则特别针对这里所涵盖的常见无机化合物。酸、水合物、有机化合物，以及更进阶的配位化合物，都需要额外的命名规则。

09比死背「交叉法」更好的方法

交叉法可以很有用，但如果它取代了真正的思考，就会变得危险。

例如，假设你需要写出 aluminium sulfate 的化学式。

你知道：

\[
\mathrm{Al}^{3+}
\]

以及：

\[
\ce{SO4^2-}
\]

把电荷数值交叉后会得到：

\[
\ce{Al2(SO4)3}
\]

这个答案恰好是正确的。

但更扎实的推理是：

\[
2(+3)+3(-2)=0
\]

这告诉你为甚么需要两个铝离子和三个硫酸根离子。它也提醒你，硫酸根是一个完整的离子，因此需要括号。

改用以下判断流程：

名称转成离子化学式

1. 找出阳离子和阴离子。
2. 写出它们的电荷。
3. 找出最少各需要多少个离子，才能使总电荷为零。
4. 如果需要多于一个多原子离子，就使用括号。
5. 检查比例是否还能约简。

离子化学式转成名称

1. 找出阳离子和阴离子。
2. 判断金属是否可以有可变的氧化态。
3. 如果可以，就根据电荷平衡计算该氧化态。
4. 用罗马数字写出氧化态。
5. 正确命名阴离子。

共价名称转成化学式

1. 找出每种元素。
2. 直接把每个前缀转换成下标。
3. 不要用电荷平衡来建立化学式。

共价化学式转成名称

1. 数出每种原子的数目。
2. 把数字转换成相应前缀。
3. 第一种元素省略 mono-。
4. 第二种元素使用以 -ide 结尾的英文名称。

10最容易犯的错误

错误 1：把罗马数字当成下标

Iron(III) chloride 不是 \(\ce{Fe3Cl}\)。

III 表示铁的氧化态是 \(+3\)：

\[
\mathrm{Fe}^{3+}
\]

每个 chloride 是 \(\mathrm{Cl}^{-}\)，所以需要三个氯离子：

\[
\ce{FeCl3}
\]

错误 2：对离子化合物使用共价前缀

\(\ce{CaCl2}\) 是 calcium chloride，不是 calcium dichloride。

下标 2 已经由 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 的电荷决定。

错误 3：假设下标等于氧化态

在 \(\ce{Fe2O3}\) 中，不能因为铁的下标是 2，就认为铁的氧化态是 \(+2\)。

三个氧原子各为 \(-2\)，总共提供 \(-6\)。两个铁原子合共必须提供 \(+6\)，所以每个铁都是 \(+3\)。

这个化合物是 iron(III) oxide。

错误 4：忘记把离子比例约至最简

对 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 和 \(\mathrm{O}^{2-}\) 而言，机械式使用交叉法可能得到 \(\ce{Ca2O2}\)。

正确的最简比例是：

\[
\ce{CaO}
\]

错误 5：改变多原子离子的内部组成

硫酸根是 \(\ce{SO4^2-}\)。如果需要三个硫酸根，应写：

\[
\ce{(SO4)3}
\]

不要改变 \(\ce{SO4}\) 这个单位本身。

11问题与解答

问题 1

命名化合物 \(\ce{K2S}\)。解释为甚么名称不需要数字前缀。

解答 1

这个化合物是 potassium sulfide。

钾是第 1 族金属，会形成 \(\mathrm{K}^{+}\)。硫形成硫化物离子 \(\mathrm{S}^{2-}\)。因此需要两个钾离子才能平衡一个硫化物离子：

\[
2(+1)+(-2)=0
\]

这个化合物属于离子化合物，所以 \(2:1\) 的比例由电荷平衡决定。标准离子名称不使用 di- 这类数字前缀。

问题 2

写出 magnesium nitride 的化学式。

解答 2

化学式是 \(\ce{Mg3N2}\)。

镁形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，而氮化物离子是 \(\mathrm{N}^{3-}\)。最小的共同总电荷是 6：

\[
3(+2)=+6
\]

以及：

\[
2(-3)=-6
\]

所以三个镁离子可以平衡两个氮化物离子：

\[
\ce{Mg3N2}
\]

\(3:2\) 已经是最简整数比。

问题 3

写出 aluminium sulfate 的化学式。

解答 3

化学式是 \(\ce{Al2(SO4)3}\)。

铝形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\)，而硫酸根是 \(\ce{SO4^2-}\)。两个铝离子提供 \(+6\)，三个硫酸根离子提供 \(-6\)：

\[
2(+3)+3(-2)=0
\]

因此：

\[
\ce{Al2(SO4)3}
\]

因为化学式中包含三个完整的硫酸根离子，所以必须使用括号。在平衡电荷的过程中，不可以改变 \(\ce{SO4}\) 的内部化学式。

问题 4

命名 \(\ce{MnO2}\)，已知锰可以形成具有不同氧化态的离子。

解答 4

这个化合物是 manganese(IV) oxide。

每个氧的氧化态是 \(-2\)。因此两个氧原子共提供：

\[
2(-2)=-4
\]

化合物呈电中性，所以锰必须提供 \(+4\)：

\[
x-4=0
\]

\[
x=+4
\]

罗马数字 IV 记录的就是这个氧化态。下标 2 属于氧，并不表示锰的氧化态是 \(+2\)。

问题 5

写出 \(\ce{N2O3}\) 的系统二元共价名称，并判断化合物中氮的氧化态。

解答 5

名称是 dinitrogen trioxide，而氮的氧化态是 \(+3\)。

命名和计算氧化态是两个不同的任务。

在命名方面，两个氮原子使用前缀 di-，三个氧原子则使用 tri- 加上 oxide：

dinitrogen trioxide

在计算氧化态方面，氧通常是 \(-2\)。三个氧原子共提供：

\[
3(-2)=-6
\]

设每个氮原子的氧化态为 \(x\)。由于化合物呈电中性：

\[
2x-6=0
\]

\[
2x=6
\]

\[
x=+3
\]

重要的区别在于，前缀 di- 表示氮原子的数目，而氧化态 \(+3\) 描述的是指定给每个氮原子的电子记帐状态。

问题 6

一名学生对 calcium oxide 使用交叉法，写出 \(\ce{Ca2O2}\)。这名学生认为电荷已经正确交叉抄下来，所以化学式必定正确。评估这个说法，并写出正确的化学式。

解答 6

正确的化学式是 \(\ce{CaO}\)，所以这名学生的论证并不完整。

钙形成 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，而氧化物离子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。各一个离子已经可以形成电中性的组合：

\[
(+2)+(-2)=0
\]

因此比例是 \(1:1\)。

虽然机械式地交叉电荷数值可能暂时得到 \(2:2\) 的比例，但离子化学式必须约成最简整数比：

\[
\ce{Ca2O2} \rightarrow \ce{CaO}
\]

这个陷阱在于把交叉法当成产生最终化学式的规则。真正的规则是电荷中性和最简比例。

问题 7

某金属 \(X\) 可以形成 \(X^{2+}\) 或 \(X^{3+}\)。这种金属的一种化合物的化学式为 \(\ce{X2O3}\)。

一名学生声称，\(X\) 的氧化态一定是 \(+2\)，因为化学式中 \(X\) 后面的下标是 2。判断 \(X\) 的氧化态，并解释这名学生的推理错在哪里。

解答 7

\(X\) 的氧化态是 \(+3\)。

每个氧的氧化态是 \(-2\)。因此三个氧原子共提供：

\[
3(-2)=-6
\]

如果每个 \(X\) 原子的氧化态是 \(x\)，这个中性化合物必须符合：

\[
2x-6=0
\]

因此：

\[
2x=6
\]

\[
x=+3
\]

下标 2 告诉我们化学式单位中有两个 \(X\) 原子，而不是表示它们的氧化态。事实上，两个 \(X\) 原子合共必须提供 \(+6\)，所以每个 \(X\) 都必须是 \(+3\)。

这正是为甚么氧化态应该根据整个化学式计算，而不是从附近的下标猜测。

问题 8

一个容器只标示为 chromium phosphate。铬可以有 \(+2\) 和 \(+3\) 的氧化态，而磷酸根是 \(\ce{PO4^3-}\)。

解释为甚么这个标签无法唯一确定一个化学式。写出使用 chromium(II) 时所得的化学式，以及使用 chromium(III) 时所得的化学式。

解答 8

这个标签具有歧义，因为铬可以有多于一种氧化态。必须用罗马数字指出存在的是哪一种铬离子。

对 chromium(II) 而言，离子是 \(\mathrm{Cr}^{2+}\)，而磷酸根是 \(\ce{PO4^3-}\)。最小的共同总电荷是 6：

\[
3(+2)+2(-3)=0
\]

所以 chromium(II) phosphate 是：

\[
\ce{Cr3(PO4)2}
\]

对 chromium(III) 而言，两种电荷的绝对值相等：

\[
(+3)+(-3)=0
\]

所以比例是 \(1:1\)：

\[
\ce{CrPO4}
\]

因此，两种可能的化合物有不同的化学式：

• chromium(II) phosphate：\(\ce{Cr3(PO4)2}\)
• chromium(III) phosphate：\(\ce{CrPO4}\)

缺少罗马数字并不是一个微不足道的命名细节。没有它，就无法唯一确定氧化态、离子比例和化学式。

12掌握这些之后，你可以进一步做甚么

当你不再把名称当作需要死背的字串时，化学命名法就会容易得多。离子化学式是一个电荷平衡的陈述。共价化合物的前缀是一项原子数量指示。罗马数字则是一项氧化态陈述。

这些概念很快就会在化学课程的其他地方再次出现。正确的化学式让你可以平衡化学方程式和计算摩尔质量，而氧化态则会成为追踪氧化还原反应中电子转移的方法。如果你看到 \(\ce{Fe2O3}\) 时，能解释铁为甚么是 \(+3\)，那么你其实已经开始运用理解氧化与还原所需的推理，而不只是背诵化合物名称。