知识背景
1800 年前后,化学家们已经知道水由氢和氧组成,却在一个问题上争了二十多年:一个水分子里到底有几个氢原子、几个氧原子?有人主张氢一氧一,有人主张氢二氧一,谁也说不服谁。
僵局的打破靠的是定量实验。人们反复测定,发现无论水从哪里来——钱塘江水、雨水、还是氢气燃烧生成的水——其中氢与氧的质量比永远是 。结合原子的相对质量,只有「两个氢配一个氧」才能解释这个固定比例。
于是有了 这个写法。它不是随意约定的代号,而是实验测定的结果:每一个下角标都对应着一个可以称量出来的事实。
更妙的是,化学家后来发现原子之间的结合能力可以用一个数字来概括——化合价。掌握了它,你不必记住每一个化学式,而是可以推出它们。这是本节最有力的工具。
知识讲解
化学式及其意义
用元素符号和数字的组合来表示物质组成的式子,叫做化学式。
每种纯净物的组成是固定的,所以一种纯净物只有一个化学式;混合物没有化学式。
以 为例,它有四层意义:
| 层面 | 含义 |
|---|---|
| 宏观·物质 | 表示水这种物质 |
| 宏观·组成 | 表示水由氢元素和氧元素组成 |
| 微观·分子 | 表示一个水分子 |
| 微观·构成 | 表示一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成 |
数字位置不同,含义完全不同:
- 右下角的数字表示一个分子中该原子的个数: 中的 表示一个水分子含 2 个氢原子。
- 化学式前面的数字表示分子的个数: 表示三个水分子(其中共有 6 个氢原子、3 个氧原子)。
化学式的书写规则
- 单质:由原子直接构成的写元素符号本身(、、、);由双原子分子构成的气体要写下角标 (、、、)。
- 化合物:一般把金属或氢写在左边,非金属写在右边;氧化物中氧写在右边。
- 读法与写法顺序相反: 写作「铁在前氧在后」,读作「三氧化二铁」,从右往左读。
化合价
化合价表示元素的原子在形成化合物时相互结合的数目关系,用带正负号的数字标在元素符号正上方。
铁律:在化合物中,各元素化合价的代数和为零;单质中元素的化合价为 。
必背的常见化合价:
| 化合价 | 元素或原子团 |
|---|---|
| 、、、、(铵根) | |
| 、、、、 | |
| 、(氢氧根)、(硝酸根) | |
| 、、(碳酸根)、(硫酸根) | |
| 变价 | 铁:(亚铁)或 ;铜: 或 ;碳: 或 |
- 写法不同:化合价写在元素符号正上方,符号在前数字在后(如 );离子电荷写在右上角,数字在前符号在后(如 )。
- 数值往往相同:镁的化合价 ,镁离子带 2 个单位正电荷;但适用对象不同:化合价描述元素在化合物中的结合能力,离子电荷描述一个具体微粒的带电情况。
用化合价推写化学式
四步法(以铝和氧结合为例):
- 写符号:正价元素在左、负价在右 →
- 标价: 为 , 为
- 求最小公倍数: 与 的最小公倍数是
- 定角标并约简: 的角标 , 的角标 →
这就是俗称的交叉法:把两个价数的绝对值互换到对方的右下角,能约简的要约简(角标为 时省略不写)。含原子团时要给整个原子团加括号再标角标,如 、。
实验与探究
某实验小组测得: 镁在氧气中完全燃烧,生成 白色固体。已知镁的相对原子质量为 、氧为 。请推断该氧化物的化学式,并用化合价加以验证。
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第一步:求参加反应的氧元素质量,依据质量守恒,生成物质量等于参加反应各物质质量之和:。第二步:求两种元素的原子个数比,依据原子个数比等于各元素质量除以其相对原子质量之比。镁:;氧:。第三步:化简比值:。第四步:写出化学式。原子个数比为 ,且金属写左边,故化学式为 (角标 省略不写)。第五步:用化合价验证,依据化合物中各元素化合价的代数和为零:镁为 、氧为 ,代数和 ,成立。用交叉法也得到角标各为 ,与实验结论一致。第六步:答:化学式为 ,名称氧化镁。方法要点:由质量求化学式的通路始终是「质量 → 除以相对原子质量 → 原子个数比 → 化简取整 → 化学式」,中间任何一步跳过都容易算错。注意:镁条燃烧前要用砂纸打磨除去表面氧化膜,否则测得的镁质量偏大。
经典例题
①用化合价推写:氧化铝、氢氧化钙、硫酸铝、硝酸铵。②说出 中各数字的含义。③指出 中铁的化合价。
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第一步:推氧化铝,依据交叉法与代数和为零。 为 、 为 ,最小公倍数 ,角标分别为 和 ,得 。第二步:推氢氧化钙。 为 、 为 ,最小公倍数 ,角标分别为 和 ;原子团角标不为 必须加括号,得 。第三步:推硫酸铝。 为 、 为 ,最小公倍数 ,角标分别为 和 ,得 。第四步:推硝酸铵。 为 、 为 ,最小公倍数 ,角标都是 故都省略,也不加括号,得 。第五步:解释②,依据式前数字表示分子个数、右下角数字表示一个分子中的原子个数: 中前面的 表示两个二氧化碳分子;右下角的 表示一个二氧化碳分子中含两个氧原子;两个分子共含 个碳原子和 个氧原子。第六步:解答③,依据代数和为零。设铁的化合价为 ,氧为 共 个:,即 ,。答:①、、、;②如上;③铁为 价。
难点与易错点
- 原子团角标忘加括号:氢氧化钙必须写 ,写成 就变成了另一种(不存在的)组成。
- 角标为 1 时仍写出来: 不写成 , 中的原子团角标为 时也不加括号。
- 交叉后忘记约简:碳和氧按 与 交叉得 ,必须约简为 。
- 化合价与离子电荷写法混用:化合价 写在正上方(符号在前),离子写 在右上角(数字在前)。
- 认为单质也有化合价:单质中元素化合价为 , 中氧不是 价。
- 给混合物写化学式:空气、自来水、龙井茶汤都是混合物,没有化学式。
- 弄错式前数字与角标的含义: 的 是分子个数, 是一个分子中的氢原子个数。
- 化学式读法写反: 读作三氧化二铁(从右往左读),但书写时铁在前。
- 忘记铁、铜是变价元素: 中铁为 、 中铁为 ,写化学式前必须先确认题目指哪一种。
生活中的应用
- 杭州自来水的消毒剂:常用氯气 或次氯酸钠,水质报告上的余氯指标就来自它们。
- 建筑工地的石灰浆:主要成分是氢氧化钙 ,刷在墙上与空气中的二氧化碳 反应生成坚硬的碳酸钙 。
- 龙井茶园的氮肥:尿素与硝酸铵 都靠其中的氮元素促进茶树长叶。
- 亚运场馆的铝合金与钢结构:铝表面会自然生成致密的氧化铝 薄膜起保护作用,而铁生成的 疏松不防锈,所以钢结构必须刷漆。
生活应用题 1 · 龙井茶园选氮肥
某茶园可选两种氮肥:硫酸铵和硝酸铵。①用化合价推写这两种物质的化学式;②说明各由几种元素组成,属于哪类物质;③硫酸铵化学式中的括号和角标分别表示什么?
分步解:
- 推硫酸铵的化学式,依据代数和为零与交叉法:铵根 为 、硫酸根 为 ,最小公倍数为 ,故 的角标为 、 的角标为 ,得 。
- 推硝酸铵的化学式: 为 、 为 ,最小公倍数为 ,两个角标都是 全部省略,得 。
- 数元素种类并分类,依据由不同种元素组成的纯净物是化合物: 含氮、氢、硫、氧共四种元素; 含氮、氢、氧共三种元素。两者都是化合物;因元素种类多于两种,都不是氧化物。
- 解释括号与角标:括号把铵根这个整体括起来,外面的角标 表示一个硫酸铵单元中含两个铵根;若不加括号写成 ,那个 就会被误读为氢原子的个数,组成完全变了。
- 补充一条施肥提示:两者都靠氮元素起作用,但硝酸铵含氮比例更高且易溶,见效快;同时它易吸湿结块,必须密封干燥保存。答:① 与 ;②分别含四种和三种元素,都是化合物、都不是氧化物;③括号表示铵根是一个整体,角标 表示含两个铵根。
生活应用题 2 · 西湖景区石灰浆刷墙的化学式
工人把石灰浆(主要成分氢氧化钙)刷在围墙上,一段时间后墙面变硬。①推写氢氧化钙的化学式;②墙面变硬是因为生成了碳酸钙,请推写它的化学式;③指出这两种物质各由几种元素组成,哪一种含钙的比例可能更高(只作定性判断)。
分步解:
- 推氢氧化钙,依据交叉法与代数和为零: 为 、 为 ,交叉后 角标 、 角标 ;原子团角标不为 须加括号,得 。
- 推碳酸钙: 为 、碳酸根 为 ,最小公倍数 ,两个角标都为 全部省略,也不加括号,得 。
- 数元素种类,依据不同的元素符号代表不同元素: 含钙、氧、氢三种元素; 含钙、碳、氧三种元素。两者都是化合物,都不是氧化物。
- 定性比较含钙比例,依据同样含一个钙原子时,其余部分越轻则钙占比越高: 中除钙外是 个氧和 个氢, 中除钙外是 个碳和 个氧,后者其余部分明显更重,所以氢氧化钙中钙的质量分数更高(准确数值要用下一节的方法计算)。答:①;②;③各含三种元素,氢氧化钙中钙的比例更高。
考点
- 书写题·必考:用化合价交叉法推写化学式,原子团加括号
- 计算题·高频:由化学式求某元素的化合价(代数和为零)
- 简答题·高频:化学式的四层意义;式前数字与右下角数字的区别
- 辨析题·高频:化合价与离子电荷的写法差异
- 实验推断·高频:由各元素质量反推原子个数比与化学式
- 概念题:单质中元素化合价为 ;混合物没有化学式
- 读写规范: 读作三氧化二铁,读写顺序相反
- 易错点:铁、铜等变价元素的化合价确认
中考真题
下列说法正确的是( )A. 中氧元素的化合价为 B. 硫酸铝的化学式为 C. 表示三个水分子 D. 空气的化学式是
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逐项分析:A 错, 是单质,其中元素的化合价为 ;B 错, 为 、 为 ,交叉后应为 ;C 对,化学式前面的数字表示分子个数;D 错,空气是混合物,没有化学式。答案:C。
高锰酸钾的化学式为 。①它由几种元素组成,属于哪类物质?②求锰元素的化合价。③写出 所表示的含义。
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第一步:数元素种类,依据化学式中不同的元素符号代表不同元素:含 (钾)、(锰)、(氧)共三种元素,故为化合物;虽然含氧,但元素种类为三种,不属于氧化物。第二步:求锰的化合价,依据化合物中各元素化合价的代数和为零。已知 为 、 为 且有 个,设锰为 ,列式 。第三步:解方程:,得 。所以锰在高锰酸钾中显 价。第四步:解释 ,依据式前数字表示分子(或基本单元)个数:它表示两个高锰酸钾单元,其中共含 个钾原子、 个锰原子和 个氧原子。第五步:答:①三种元素,是化合物但不是氧化物;②锰为 价;③表示两个高锰酸钾单元,共含钾、锰各 个原子与氧 个原子。答题提醒:求化合价必须写出代数和为零的等式再解,直接报答案不给过程分。