甲烷及其氯化物中元素化合价分析

甲烷及其氯化物中元素化合价分析

众所周知，甲烷（CH4）能与氯气（Cl2）发生取代反应（有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应，类似于无机中的置换反应），生成一氯甲烷（CH3Cl）、二氯甲烷（CH2Cl2）、三氯甲烷（CHCl3）、四氯甲烷（CCl4，又叫“四氯化碳”），它们的结构几乎相同，都是甲烷分子中的H原子被Cl原子取代所成。然而，在这四种甲烷氯化物以及甲烷本身中，碳元素的化合价却有所差别，鉴于许多人将其混淆，故在本文加以说明。有些地方需要用一点高中的知识，不过会尽量回避。

首先说一下甲烷，它是最简单的有机物，其结构式为1个碳原子分别与4个氢原子以共价键（两个或多个原子共同使用它们的外层电子，简而言之就是共用电子对）的方式“相连”，由于H原子核外只有1个电子，所以H只能显±1价（不考虑0价），因为C的电负性（两个不同原子形成化学键时吸引电子能力的相对强弱，其数值越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强）为2.55，大于H的2.20，所以C—H键的共用电子对偏向C原子。因为每个电子带一单位负电荷，故每个C—H键会给C原子提供1单位负电荷（共用电子对由二者分别提供1个电子组成，为了方便、通俗地说明，这里采取了这种较不规范的说法），甲烷分子中共有4个C—H键，因此C原子共接受了4个共用电子对，也就是4单位负电荷。所以甲烷分子中的C显-4价，H显+1价。

接下来是一氯甲烷，一氯甲烷的是甲烷分子中的一个H原子被Cl2中的Cl原子取代所生成的（CH4+Cl2==光照==Cl—CH3+HCl）。看起来其与甲烷分子结构相同，所以元素的化合价也应相同，其实不然，原因在于Cl的电负性为3.16，远大于C的2.55，所以C—Cl键中，共用电子对反而偏向Cl原子，因此会给C原子提供1正电荷（相反地，给Cl原子提供1单位负电荷）。其余三个C—H键分别给C原子提供1单位负电荷，这样C原子共有(3-1=)2单位负电荷。因此一氯甲烷分子中，C显-2价，H显+1价，Cl显-1价。

二氯甲烷中，2个C—Cl键带给C原子的正电荷恰好被2个C—H键带来的负电荷抵消。故在二氯甲烷分子中，C显0价，H显+1价，Cl显-1价。

三氯甲烷则是有3个C—Cl键，1个C—H键，所以C原子共有2个正电荷。所以在三氯甲烷分子中，C显+2价，H显+1价，Cl显-1价。

四氯甲烷（CCl4）是CH4中的H原子全部被Cl2中的Cl原子取代而成，四个键均为C—Cl 键。因此在四氯甲烷分子中，C显+4价，Cl显-1价。

综上所述，在甲烷及其氯化物中，H均显+1价，Cl均显-1价，而C存在-4、-2、0、+2、4的变价，不能因为结构相似就混为一谈，对于初中生，通常只需掌握CH4及CCl4即可，但这种方法，在今后的学习中，却经常使用到。

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