元素的化合价和化学键

元素的化合价和化学键

现在初中课本已经引进了化合价和化学键的概念，但并没有过多解释，这也好理解，对于编课本的人来说，不解释最省事，因为对于初学化学的孩子们来说，可能越加解释越糊涂。大概教育系统的人是希望初中学生能记住这概念就可以了，为今后的学习打基础。

毫无疑问，化合价和化学键的概念非常重要，辉山兰狐试图做点解释，希望能帮助帮助孩子们，让他们能通过理解来加强记忆，免除死记硬背的苦恼。

简单点说，化合价是化学元素的一种化学能力，这种能力可以用整数来衡量。如果把原子结合成分子比喻成手拉手，则化合价可以比喻为有几只手，原子化合时只能一只手拉一只手。原子最多可能有7价，那就理解为有7只手的蜘蛛好了。从原子结构的角度说，化合价是元素中的原子得失电子的或生成共用电子对的数目，原子能失去几个电子就是正几价，能获取几个电子就是负几价。一个原子能同别的原子生成几个电子对也就是几价，此时没有正负的区别。另外，化合价也可以理解为元素在形成化合物时所表现出的一种性质。元素在相互化合时，反应物原子的“个数比”总是一定的。比如，一个钠离子一定是和一个氯离子结合。而1个镁离子一定是和2个氯离子结合。那么为什么是这种数目比例而不是其他数目的比例，例如让1个镁离子同3个氯离子结合。当然，你可以说，这是客观规律，不能以自己的意志行事。再问一句，到底是什么客观规律呢，再往下解释就很麻烦了，因为这涉及到了原子的结构。如果不是这种按化学规律得出的数目比，就不能使构成离子化合物的阴阳离子和构成共价化合物分子的原子的最外电子层成为稳定结构，从而也就不能形成稳定的化合物。

其实，只要弄清楚了原子核外电子的分布，化合价的问题就迎刃而解。化合价实际上就是元素的核外电子相互结合的数目，一个原子有多少核外电子能参与化学反应，就有多少个化合价，化合价就是为了方便表示原子相互化合的数目而设置的化学指标。

原则上，除了铁等少数元素外，都只有最外层电子参加化学反应。为了更好的理解为什么只有最外层的电子参与化学反应，先说说原子的构造，原子以带正电的原子核为中心，周围围绕着运动的电子。电子必须运动，因为电子一静止下来就会被原子核吸引过去了，好比人造卫星在天上运行，必须高速运动，运动速度变小了（例如在空气的阻力下速度变小了），卫星就会被地球吸引下来了。电子的运动和人造卫星的运动不一样，但可以做类比。原子核带有多少正电荷，核外就有多个电子运动，这样整个原子才是中性的。那么电子在原子核外是怎样分布的呢，电子是一层一层分布在原子核外的。地球上的物体离开地球表面就具有势能（也叫位能），距离地面越高势能越大。在原子中，也有类似现象，电子离原子核越近，势能越低，先来后到，先来的电子总是先占有势能最低的位置。电子在各层能容纳的电子数量不一样，离原子核越近的电子层电子数量越少。最接近原子核的电子层只能容纳2粒电子，第二层（从里往外数）能容纳8粒电子，第三层能容纳18粒电子，第四层能容纳32粒电子……，有一个简单的公式，每层最多能容纳的电子数为2×n2，其中n表示第几层。从第二层开始，最外层的电子数目不能超过8个，这一点很重要，因为这个限值8对于化合价的形成很重要，当某一元素的最外层电子数小于8时，其数量便是正价的最大数值，同8的数量差就是负价的差值。例如锂、钠、钾等元素最外层的电子数量是1，其化合价就是正1价，硫的最外层电子数是6，就能最大形成正6价，同时还有负2（8-6=2）价的能力。按规则，最里面的电子层命名为K层，从里到外，分别为K层、L层、M层、N层、O层、P层，用拉丁字母命名电子层比外层、次外层、最里层等称呼更准确，不会有错误理解。

初中课本已经有了元素周期表，其中横向各行从上到下用阿拉伯数字标注号码，表示周期序号。第一行为第一周期，只有两种元素。第二行和第三行为第二和第三周期，各有八种元素，从第四周期开始，元素数量增多，第四、第五两个周期各有十八种元素，第六周期元素数量更多，总共有三十二种元素。竖向各列用罗马字母标注，表示族号，罗马字母后面标注A 的元素叫主族元素，主族元素的编号就是原子最外层的电子数，例如IA族的原子中最外层

有1粒电子，VIA族的原子中最外层有6粒电子，以此类推。主族元素的化学性质很接近，在同一主族中，元素的原子量越小，其化学性质的非金属性越强，原子量越大，元素的金属性越强。在本文示例的元素周期表中，蓝色的部分为金属性元素，黄色部分为非金属元素。从第四周期开始，在主族元素中间出现了副族元素，在罗马字母族号后标注B字样的为副族元素，副族元素的最外层电子数为1到2粒。周期表的最右一列为0族元素，该族各元素的化学活性很低，表现得很懒惰，在地球的环境中，都呈现气体状态出现，所以把它们统统称呼为惰性气体，0族元素的化合价为0。周期表中间一列有一族不标注A、B字样，只标注罗马字母VIII，有人称呼为过渡元素，有人不同意（他们把所有非主族元素都称呼为过渡元素，这是主流意见），不管如何称呼，这一族的特点是并排三种元素的化学性质很相近，如第四周期的铁、钴、镍，第五周期的钌、铑、钯，第六周期的锇、铱、铂，而从上到下排在同一列中的元素的化学性质却大不相同，如铁、钌、锇。另外第四周期的副族元素中从钪到锌，核外电子数从21增到30，但最外层（N层）电子数却保持2个，从钪开始，在次外层（M层）中增加电子，从钪到锌，次外层（M层）的电子数量从9增到18。次外层（M 层）的电子数量增到18后，这一层的电子数量达到了最大数值，电子再增加就只好填充到最外层（N层），这样一来，从镓到溴，又进入了主族元素的排列。那么，元素钪比元素钙多一个电子，这一个电子为何不像第二和第三周期那样，排列在最外层，而是排列在次外层中呢，这是因为次外层（M层）电子没有排满（排满应为18个电子，到钙元素的位置上，只有8粒电子），最外层（N层）的第三粒电子的势能大于次外层（M层）第九粒电子的势能，而电子的排列是先满足势能低的位置，所以元素钪比元素钙多出的电子只能排列到次外层（M层）中。从元素钪开始直到元素镓，次外层（M层）的电子排列满员了，电子再增多只好排列到最外层（N层）中，从镓到氪，最外层（N层）电子数从3个增加到8个，就又呈现出主族元素的形态了。

在第六周期中，从元素镧开始到元素镥，共有15种元素，化学性质极其相似，在元素周期表中给它们提供一个位置，是不是很歧视它们？不是的，因为他们的最外层（P层）和次外层（O层）电子数目一样，分别为2粒和18粒，电子都填充到了从外面数第三层（N层）中，从元素镧的19粒电子到元素镥的32粒电子（填满了N层）。由于这些元素的最外层（P 层）和次外层电子数目（O层）一样，所以化学性质相同，被命名为镧系元素。镧系元素又被称呼为稀土元素（按习惯，稀土元素的称呼除镧系元素外，还包IIIB族的钪和钇），这是历史遗留下来的名称。稀土元素是从18世纪末叶开始被陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为“土”。稀土元素一般是以氧化物状态被分离出来的物质，又很稀少，因而得名为稀土。现在稀土元素在航天和电子领域用途广阔，而产地却很少，中国目前拥有世界上90%的稀土矿，由于国家开始严格控制走私出口的犯罪行为，造成国际稀土矿供应量出现波动，从而稀土供应成为了当前的国际话题。

上面讲述了化合价的概念，那么化学键是什么呢？化学键是化合物中原子之间相结合的力，当正价原子失去电子成为正离子后，同得到电子的负离子原子互相产生静电引力，这种力叫做离子键。当两个原子各出一个电子形成公共电子对时，这种键不是静电力，但这种力也很强大，这种结合力叫做共价键。一个化合价只能形成一个化学键。前面把原子有几价比喻成有几只手，当原子结合成分子时，互相拉紧的手就是化学键。这手若松开，就没有拉力了，化学键于是解套，原子的空手只表示化合价。有手就有化合价，手拉紧就成为化学键，手松开就只表明有化合价。由此可见，化合价和化学键是关系密切的不同概念，必须慢慢体会清楚。

说了这么多，这些话题很难被初中孩子理解，怎么办？多读、多想，慢慢理解，世上无难事，就怕有心人，只要不怕麻烦，上述原子——分子的化学概念是能够被理解的，只要理解了这些基本概念，化学就从很枯燥的学科变成很好学又很有趣味的课程了。