HSC 化學中的離子與共價化合物命名及化合價

假設題目要求你寫出 iron(III) oxide 的化學式。以下哪一個看起來正確：\(\ce{FeO}\)、\(\ce{Fe2O3}\)，還是 \(\ce{Fe3O2}\)？

\(\ce{Fe3O2}\) 可能很容易讓人覺得是正確答案。畢竟，名稱中有「III」，而 oxide 的化合價是 2。但羅馬數字並不是告訴你要寫多少個鐵原子，而是表示鐵的氧化態。接著必須根據正、負電荷互相抵消的原則建立化學式。

因此得到 \(\ce{Fe2O3}\)。

這就是化學命名法的核心概念：名稱和化學式包含不同種類的資訊，而你需要知道是哪一種資訊決定下標。

01三個很容易混淆的概念

在為化合物命名之前，先把三個相關概念分清楚：化合價、離子電荷和氧化態。

在 HSC 程度，化合價可以作為寫化學式的實用捷徑，尤其是對熟悉的單原子離子而言。鎂通常形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，所以我們常說它的化合價是 2。氯通常形成 \(\mathrm{Cl}^{-}\)，所以它的化合價是 1。

但化合價和氧化態並不完全相同。

化合價通常寫成沒有正負號的整數。氧化態則有正負號，而且取決於所在的化合物。一種元素可以有多種氧化態。

例如，鐵常見的形式包括 \(\mathrm{Fe}^{2+}\) 和 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)。這就是為甚麼 iron(II) chloride 和 iron(III) chloride 這類名稱需要使用羅馬數字。

02離子化學式由電荷決定

可以把離子化合物想像成一場規矩非常嚴格的晚宴：每一份正電荷都必須由等量的負電荷抵消，否則誰都不能入座。

一個 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和一個 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 正好完全配平：

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

所以 sodium chloride 的化學式是 \(\ce{NaCl}\)。

現在試試鎂和氯離子。一個 \(\mathrm{Mg}^{2+}\) 帶有兩個單位的正電荷，而每個 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 只能提供一個單位的負電荷。

因此需要兩個氯離子：

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

所以化學式是 \(\ce{MgCl2}\)。

晚宴的情境只是一個類比。離子固體並不是由一對一對獨立的 \(\ce{MgCl2}\) 小分子組成，而是形成大型的三維晶格。\(\ce{MgCl2}\) 這個化學式表示的是離子的最簡整數比。

值得記住的常見離子電荷

你不需要每次都從頭推導每一種常見離子的電荷。

像硫酸根和硝酸根這樣的多原子離子，在建立離子化學式時應視為一個完整的帶電單位。

離子比例一定要約至最簡

那麼 calcium oxide 呢？

鈣是 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，氧化物離子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。如果機械式地把兩個 2 交叉過去，可能會得到 \(\ce{Ca2O2}\)。

但一個鈣離子已經可以平衡一個氧化物離子：

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

因此最簡比例是 \(1:1\)，所以化學式是：

\[ \ce{CaO} \]

離子化學式必須使用最簡整數比。

03多原子離子要保持完整

現在考慮 calcium nitrate。

鈣是 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，而硝酸根是 \(\ce{NO3^-}\)。需要兩個硝酸根離子：

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

化學式是：

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

括號很重要。下標 2 適用於整個硝酸根離子。

如果沒有括號，\(\ce{CaNO3_2}\) 就不能正確表達其結構。

這裡還隱含一條重要規則：平衡電荷時，不要改變多原子離子內部的下標。硝酸根是 \(\ce{NO3^-}\)。你不能只是為了讓算式方便，就把它改成另一種氮、氧排列。

04離子化合物的命名

寫化學式是一個方向。HSC 題目也同樣可能給你一個化學式，要求你寫出名稱。

基本規則是：

1. 先寫正離子的名稱。
2. 再寫負離子的名稱。
3. 單原子負離子的英文名稱結尾改為 -ide。
4. 多原子離子沿用既定名稱。
5. 如果金屬可以有不同的氧化態，使用羅馬數字標明其氧化態。

例如：

留意其中沒有出現甚麼：di-、tri- 和 tetra- 這類前綴。

使用標準離子命名法時，不會把 \(\ce{MgCl2}\) 稱為「magnesium dichloride」。\(1:2\) 的比例已經由電荷平衡決定，因此不需要數字前綴。

05從化學式找出金屬的氧化態

假設題目給你 \(\ce{Cu2O}\)。

銅可以有多於一種氧化態，因此只說「copper oxide」會遺漏有用資訊。

要怎樣找出羅馬數字呢？

氧化物中的氧具有 \(-2\) 的氧化態。化合物呈電中性，所以所有氧化態加起來必須等於零。

設每個銅原子的氧化態為 \(x\)：

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

因此：

\[ 2x=+2 \]

所以：

\[ x=+1 \]

因此 \(\ce{Cu2O}\) 是 copper(I) oxide。

06氧化態不等於離子的總電荷

遇到多原子離子時，這個區別尤其重要。

以硫酸根 \(\ce{SO4^2-}\) 為例。

整個硫酸根離子的電荷是 \(-2\)。這並不表示硫的氧化態是 \(-2\)。

氧的氧化態通常是 \(-2\)。因此四個氧原子共提供：

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

離子內各原子的氧化態總和必須等於該離子的總電荷，也就是 \(-2\)。

設硫的氧化態為 \(x\)：

\[ x-8=-2 \]

所以：

\[ x=+6 \]

因此，硫在硫酸根中的氧化態是 \(+6\)，即使整個硫酸根離子的電荷是 \(-2\)。

這就是為甚麼「電荷」和「氧化態」不應當作可以互換的詞語。

掌握以下一組精簡的氧化態規則，就能處理很多問題：

• 單獨存在的元素，其氧化態是 \(0\)
• 單原子離子的氧化態等於它的離子電荷
• 在中性化合物中，所有氧化態相加等於 \(0\)
• 在多原子離子中，所有氧化態相加等於該離子的總電荷
• 氧通常是 \(-2\)
• 氫通常是 \(+1\)

「通常」這兩個字很重要。化學中存在例外，當氧化與還原在課程中成為更重要的內容時，你會遇到其中一些例子。

07共價化合物使用不同的命名系統

現在考慮 \(\ce{N2O4}\)。

如果你嘗試把它當作離子化合物處理，馬上就會遇到問題。這裡沒有需要與陰離子進行電荷平衡的金屬陽離子。

對簡單的二元共價化合物而言，名稱反而會告訴你化學式中有多少個各種原子。

試著預測 \(\ce{N2O4}\) 的名稱。只寫「nitrogen oxide」足夠嗎？

不夠。氮和氧可以形成多種化合物，因此原子數量很重要。數字前綴會傳遞這項資訊。

對二元共價化合物而言：

• 先寫第一種元素的名稱
• 當第一種元素有多於一個原子時，使用數字前綴
• 第二種元素的英文名稱使用 -ide 結尾
• 根據第二種元素的原子數使用前綴；只有一個原子時也要使用 mono-

第一種元素的 mono- 通常省略。

有些名稱會把相鄰的母音縮合。例如，mono + oxide 會變成 monoxide，而不是「monooxide」；tetra + oxide 會變成 tetroxide。

08離子還是共價？先判斷，再使用命名規則

很多命名錯誤都是因為學生記得某條規則，卻把它用在錯誤類型的化合物上。

先從組成判斷。

例如：

• \(\ce{CaCl2}\)：鈣是金屬，所以使用離子命名法 -> calcium chloride
• \(\ce{NCl3}\)：氮和氯都是非金屬，所以使用前綴 -> nitrogen trichloride
• \(\ce{CuSO4}\)：銅加硫酸根屬於離子化合物 -> 判斷銅的氧化態，得到 copper(II) sulfate

這條規則特別針對這裡所涵蓋的常見無機化合物。酸、水合物、有機化合物，以及更進階的配位化合物，都需要額外的命名規則。

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，就會變得危險。

例如，假設你需要寫出 aluminium sulfate 的化學式。

你知道：

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

以及：

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

把電荷數值交叉後會得到：

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

這個答案恰好是正確的。

但更扎實的推理是：

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

這告訴你為甚麼需要兩個鋁離子和三個硫酸根離子。它也提醒你，硫酸根是一個完整的離子，因此需要括號。

改用以下判斷流程：

名稱轉成離子化學式

1. 找出陽離子和陰離子。
2. 寫出它們的電荷。
3. 找出最少各需要多少個離子，才能使總電荷為零。
4. 如果需要多於一個多原子離子，就使用括號。
5. 檢查比例是否還能約簡。

離子化學式轉成名稱

1. 找出陽離子和陰離子。
2. 判斷金屬是否可以有可變的氧化態。
3. 如果可以，就根據電荷平衡計算該氧化態。
4. 用羅馬數字寫出氧化態。
5. 正確命名陰離子。

共價名稱轉成化學式

1. 找出每種元素。
2. 直接把每個前綴轉換成下標。
3. 不要用電荷平衡來建立化學式。

共價化學式轉成名稱

1. 數出每種原子的數目。
2. 把數字轉換成相應前綴。
3. 第一種元素省略 mono-。
4. 第二種元素使用以 -ide 結尾的英文名稱。

10最容易犯的錯誤

錯誤 1：把羅馬數字當成下標

Iron(III) chloride 不是 \(\ce{Fe3Cl}\)。

III 表示鐵的氧化態是 \(+3\)：

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

每個 chloride 是 \(\mathrm{Cl}^{-}\)，所以需要三個氯離子：

\[ \ce{FeCl3} \]

錯誤 2：對離子化合物使用共價前綴

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

下標 2 已經由 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 的電荷決定。

錯誤 3：假設下標等於氧化態

在 \(\ce{Fe2O3}\) 中，不能因為鐵的下標是 2，就認為鐵的氧化態是 \(+2\)。

三個氧原子各為 \(-2\)，總共提供 \(-6\)。兩個鐵原子合共必須提供 \(+6\)，所以每個鐵都是 \(+3\)。

這個化合物是 iron(III) oxide。

錯誤 4：忘記把離子比例約至最簡

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

正確的最簡比例是：

\[ \ce{CaO} \]

錯誤 5：改變多原子離子的內部組成

硫酸根是 \(\ce{SO4^2-}\)。如果需要三個硫酸根，應寫：

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

不要改變 \(\ce{SO4}\) 這個單位本身。

11問題與解答

問題 1

命名化合物 \(\ce{K2S}\)。解釋為甚麼名稱不需要數字前綴。

解答 1

這個化合物是 potassium sulfide。

鉀是第 1 族金屬，會形成 \(\mathrm{K}^{+}\)。硫形成硫化物離子 \(\mathrm{S}^{2-}\)。因此需要兩個鉀離子才能平衡一個硫化物離子：

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

這個化合物屬於離子化合物，所以 \(2:1\) 的比例由電荷平衡決定。標準離子名稱不使用 di- 這類數字前綴。

問題 2

寫出 magnesium nitride 的化學式。

解答 2

化學式是 \(\ce{Mg3N2}\)。

鎂形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，而氮化物離子是 \(\mathrm{N}^{3-}\)。最小的共同總電荷是 6：

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

以及：

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

所以三個鎂離子可以平衡兩個氮化物離子：

\[ \ce{Mg3N2} \]

\(3:2\) 已經是最簡整數比。

問題 3

寫出 aluminium sulfate 的化學式。

解答 3

化學式是 \(\ce{Al2(SO4)3}\)。

鋁形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\)，而硫酸根是 \(\ce{SO4^2-}\)。兩個鋁離子提供 \(+6\)，三個硫酸根離子提供 \(-6\)：

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

因此：

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

因為化學式中包含三個完整的硫酸根離子，所以必須使用括號。在平衡電荷的過程中，不可以改變 \(\ce{SO4}\) 的內部化學式。

問題 4

命名 \(\ce{MnO2}\)，已知錳可以形成具有不同氧化態的離子。

解答 4

這個化合物是 manganese(IV) oxide。

每個氧的氧化態是 \(-2\)。因此兩個氧原子共提供：

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

化合物呈電中性，所以錳必須提供 \(+4\)：

\[ x-4=0 \]

\[ x=+4 \]

羅馬數字 IV 記錄的就是這個氧化態。下標 2 屬於氧，並不表示錳的氧化態是 \(+2\)。

問題 5

寫出 \(\ce{N2O3}\) 的系統二元共價名稱，並判斷化合物中氮的氧化態。

解答 5

名稱是 dinitrogen trioxide，而氮的氧化態是 \(+3\)。

命名和計算氧化態是兩個不同的任務。

在命名方面，兩個氮原子使用前綴 di-，三個氧原子則使用 tri- 加上 oxide：

dinitrogen trioxide

在計算氧化態方面，氧通常是 \(-2\)。三個氧原子共提供：

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

設每個氮原子的氧化態為 \(x\)。由於化合物呈電中性：

\[ 2x-6=0 \]

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

重要的區別在於，前綴 di- 表示氮原子的數目，而氧化態 \(+3\) 描述的是指定給每個氮原子的電子記帳狀態。

問題 6

一名學生對 calcium oxide 使用交叉法，寫出 \(\ce{Ca2O2}\)。這名學生認為電荷已經正確交叉抄下來，所以化學式必定正確。評估這個說法，並寫出正確的化學式。

解答 6

正確的化學式是 \(\ce{CaO}\)，所以這名學生的論證並不完整。

鈣形成 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，而氧化物離子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。各一個離子已經可以形成電中性的組合：

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

因此比例是 \(1:1\)。

雖然機械式地交叉電荷數值可能暫時得到 \(2:2\) 的比例，但離子化學式必須約成最簡整數比：

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

這個陷阱在於把交叉法當成產生最終化學式的規則。真正的規則是電荷中性和最簡比例。

問題 7

某金屬 \(X\) 可以形成 \(X^{2+}\) 或 \(X^{3+}\)。這種金屬的一種化合物的化學式為 \(\ce{X2O3}\)。

一名學生聲稱，\(X\) 的氧化態一定是 \(+2\)，因為化學式中 \(X\) 後面的下標是 2。判斷 \(X\) 的氧化態，並解釋這名學生的推理錯在哪裡。

解答 7

\(X\) 的氧化態是 \(+3\)。

每個氧的氧化態是 \(-2\)。因此三個氧原子共提供：

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

如果每個 \(X\) 原子的氧化態是 \(x\)，這個中性化合物必須符合：

\[ 2x-6=0 \]

因此：

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

下標 2 告訴我們化學式單位中有兩個 \(X\) 原子，而不是表示它們的氧化態。事實上，兩個 \(X\) 原子合共必須提供 \(+6\)，所以每個 \(X\) 都必須是 \(+3\)。

這正是為甚麼氧化態應該根據整個化學式計算，而不是從附近的下標猜測。

問題 8

一個容器只標示為 chromium phosphate。鉻可以有 \(+2\) 和 \(+3\) 的氧化態，而磷酸根是 \(\ce{PO4^3-}\)。

解釋為甚麼這個標籤無法唯一確定一個化學式。寫出使用 chromium(II) 時所得的化學式，以及使用 chromium(III) 時所得的化學式。

解答 8

這個標籤具有歧義，因為鉻可以有多於一種氧化態。必須用羅馬數字指出存在的是哪一種鉻離子。

對 chromium(II) 而言，離子是 \(\mathrm{Cr}^{2+}\)，而磷酸根是 \(\ce{PO4^3-}\)。最小的共同總電荷是 6：

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

所以 chromium(II) phosphate 是：

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

對 chromium(III) 而言，兩種電荷的絕對值相等：

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

所以比例是 \(1:1\)：

\[ \ce{CrPO4} \]

因此，兩種可能的化合物有不同的化學式：

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

缺少羅馬數字並不是一個微不足道的命名細節。沒有它，就無法唯一確定氧化態、離子比例和化學式。

12掌握這些之後，你可以進一步做甚麼

當你不再把名稱當作需要死背的字串時，化學命名法就會容易得多。離子化學式是一個電荷平衡的陳述。共價化合物的前綴是一項原子數量指示。羅馬數字則是一項氧化態陳述。

這些概念很快就會在化學課程的其他地方再次出現。正確的化學式讓你可以平衡化學方程式和計算摩爾質量，而氧化態則會成為追蹤氧化還原反應中電子轉移的方法。如果你看到 \(\ce{Fe2O3}\) 時，能解釋鐵為甚麼是 \(+3\)，那麼你其實已經開始運用理解氧化與還原所需的推理，而不只是背誦化合物名稱。