化合物 - 化学课程

封面图：蜂蜜中果糖结晶的偏振显微图像。果糖是一种在很多植物中存在的酮糖，它与葡萄糖结合形成蔗糖。果糖、葡萄糖和蔗糖都是常见的化合物，这些分子由多种元素结合而成。 /©ZEISS Microscopy CC BY-NC-ND 2.0

水、一氧化碳、二氧化碳⋯⋯这些物质都是相当简单的化合物，它们由两种元素组成。当然也有复杂的化合物，如白糖（蔗糖）、维生素C（抗坏血酸）、明矾（水合硫酸铝钾）。绝大多数我们接触的化学物质是化合物，在本章我们将学习化合物的有关知识。化合物的特点是由两种或多种元素组成，我们可以将化合物分为几大类：分子化合物、离子化合物等。化合物通常通过化学式来表示，化学式由化合物组成的元素衍生而来。在本章中我们将学习化学式的书写方法，以及化学式能给我们提供的信息。本章最后概述了称呼各类化学物质的方法——化学命名法。

3.1 化合物的类型和分子式

在化合物中，多个元素的原子通过化学键(chemical bond)结合在一起。根据化学键的类型，化合物被分为四种类型。

分子化合物(molecular compound)通过共价键(covalent bond)结合
离子化合物(ionic compound)通过离子键(ionic bond)结合
金属互化物(intermetallic)通过金属键(metallic bond)结合
络合物(complexe)中含有配位共价键(coordinate covalent bond)

金属互化物和络合物将在后面的章节学习。本章我们只需要了解分子化合物和离子化合物的基本特征，而化学键将在第10章和第11章学习。

分子化合物

分子化合物是由一个个分子组成的，分子通常包含短周期非金属元素。分子化合物可以用化学式(chemical formula)表示，化学式是用化学符号表示特定分子或化合物的化学比例信息的方式，通过化学式我们可以得知物质包含的元素及相对比例。

水的化学式是H₂O，下标表示原子个数，即水分子中含两个氢原子。下标1会被省略，因此我们不会将水写成H₂O₁。甲醛的化学式是CH₂O，甲醛由碳、氢、氧三种元素组成。水和甲醛都是分子化合物，化学式同时表示物质本身和分子组成。

最简的化学式被称为经验式(empirical formula)，经验式中的下标简化为最简整数比。例如磷的某种氧化物的经验式为P₂O₅，而分子的化学式是P₄O₁₀。经验式只能告诉我们有限的信息，例如甲醛(CH₂O)、乙酸(C₂H₄O₂)的最简式都是CH₂O，我们无从得知经验式为CH₂O的物质是什么。

分子式(molecular formula)基于化合物的实际分子组成，乙酸分子由两个碳、四个氢和两个氧组成，分子式为C₂H₄O₂。分子式和经验式不包含有关分子结构的信息。甲酸甲酯的分子式也是C₂H₄O₂，它和乙酸并不是同一物质。

结构式(structual formula)包含原子在分子中成键顺序和成键类型的信息。乙酸和甲酸甲酯的结构式如下所示，可以看出原子的成键顺序并不相同。

画出复杂分子的结构式是非常繁复的，而结构简式(condensed structual formula)提供了一种简便但仍能显示原子如何连接的方法。乙酸可表示为CH₃COOH或CH₃CO₂H，而甲酸甲酯可表示为HCOOCH₃或CH₃OCHO。另一个例子是丁烷和异丁烷，它们的分子式都是C₄H₁₀。丁烷的结构简式是CH₃CH₂CH₂CH₃，而异丁烷的结构简式是CH₃CH(CH₃)CH₃或CH(CH₃)₃。

上述物质是有机化合物，有机化合物通常含有碳元素和氢元素，很多天然的有机化合物含有氧元素和/或氮元素。有机化合物可能非常复杂，即使书写结构简式也较为繁复。简化结构式的另一种办法是省略碳原子和氢原子的符号。在键线式(line-angle formula)中，线代表化学键，碳原子在线的末端或两线相交的地方，并默认每个碳形成四根化学键，如果不够则用氢原子代替。而非碳原子及其上面的氢原子会被明确地写出。

分子具有体积，结构是三维的。结构式虽然包含空间排布的信息，但不能直观表示分子的形状。只有三维模型才能令人满意地表示出分子立体结构。在球棍模型(ball-and-stick model)中，原子用不同的小球表示，而化学键用细棍表示。这一模型可以告诉我们分子几何形状及原子的相对距离（键长）。

而空间填充模型(space-filling model)与球棍模型的区别在于，空间填充模型中原子大小是『全尺寸』的。模型中的原子彼此接触，这一模型的优点是展现了分子的有效形状。但模型也掩盖了原子之间的化学键，且背面的原子通常会被遮挡。

乙酸（上）和甲酸甲酯（下）的结构式（左）、球棍模型（中）和空间填充模型（右）。这两个分子由三种类型的原子组成，不同的颜色用于区分不同原子。有色球体的大小并不相同，对应于元素周期表中各种原子之间的大小差异。此外，与氧原子相连的氢的性质与其他氢不太一样，特意使用较小的体积标记。 structure-of-C2H4O2

乙酸（上）和甲酸甲酯（下）的结构式（左）、球棍模型（中）和空间填充模型（右）。这两个分子由三种类型的原子组成，不同的颜色用于区分不同原子。有色球体的大小并不相同，对应于元素周期表中各种原子之间的大小差异。此外，与氧原子相连的氢的性质与其他氢不太一样，特意使用较小的体积标记。

离子化合物

金属元素和非金属元素结合通常得到离子化合物。离子化合物由阳离子(cation)和阴离子(anion)通过静电引力结合而成（回想一下2.2节关于电荷的内容）。在反应中，金属原子通常失去一个或多个电子，而非金属原子通常获得一个或多个电子。由于电子发生转移，金属原子变为阳离子，而非金属原子变为阴离子。在第2.6节我们学过，我们可以通过主族元素所在的族推测阳离子或阴离子的电荷。例如氟和钙反应生成氟化钙，这一物质是种天然的矿石，被称为萤石。氟是第17族元素，因此其获得一个电子得到F⁻离子。而第2族的钙失去两个电子得到Ca²⁺离子。化合物整体是电中性的，每存在一个Ca²⁺必定存在两个F⁻，故钙离子和氟离子比例是1:2。

离子化合物的式单位(formula unit)是最小的电中性离子集合，氟化钙的化学式写作CaF₂，其结构如图所示。每个钙离子周围有八个氟离子，每个氟离子周围有四个钙离子（图中未完全显示）。离子之间通过静电引力形成网络结构，式单位不作为独立的实体存在，因此将离子化合物的式单位称为分子式是不合适的。

氟化钙的晶胞结构，蓝球表示钙离子，绿球表示氟离子。式单位是最小的电中性离子集合。橙色虚线围住的立方体是晶胞，晶胞是晶体的重复单元，是空间上的概念而不是实际存在的物体。我们会在第12章学习晶体。 structure-of-CaF2

氟化钙的晶胞结构，蓝球表示钙离子，绿球表示氟离子。式单位是最小的电中性离子集合。橙色虚线围住的立方体是晶胞，晶胞是晶体的重复单元，是空间上的概念而不是实际存在的物体。我们会在第12章学习晶体。

钙离子Ca²⁺、钠离子Na⁺、氟离子F⁻是简单离子，只由一个原子组成。而多原子离子由两个或多个原子构成。硝酸根化学式是NO₃⁻，表示三个氧原子和一个氮原子通过共价键连接形成单个离子NO₃⁻。硝酸镁是硝酸根和镁离子形成的离子化合物，为确保电中性，镁离子和硝酸根的比例为1:2。硝酸镁的化学式中的硝酸根用括号括起，并用下标2表示数量，因此写作Mg(NO₃)₂。多原子离子将在3.6节进一步讨论。

3.2 摩尔和化合物

通过化合物的化学式可以确定它的式量(formula mass)。式量是以原子质量单位表示的式单位的质量，式量这一属于对于任何化合物都是适用的。对于分子化合物，化学式是实际的分子，此时可以使用分子量(molecular mass)，即以原子质量单位表示的分子质量

只需将原子质量相加即可获得式量或分子量。一般情况下，使用四位有效数字的原子质量精度足矣。对于水H₂O而言，分子质量为18.015 u。氟化钙CaF₂的式量是78.08 u。而硝酸镁Mg(NO₃)₂的式量是148.313 u。

用mol计量化合物

我们可以将摩尔的概念用于任何微观物体——原子、离子、分子，甚至电子、质子等。一摩尔任何微粒含有阿伏伽德罗常量个式单位或分子数。而摩尔质量(molar mass)是1 mol化合物的质量。碳-12原子的摩尔质量几近于12 g，在一般精度下可认为等于12 g（因为物质的量的定义有修改，详见2.7节）。因此1 mol物质的质量（以克为单位）数值上等于该物质的式量，例如1 mol Mg(NO₃)₂ = 148.313 g Mg(NO₃)₂ = 6.02214×10²³个镁离子以及两倍数量的硝酸根。

物质的量、质量和微粒数量的转换是非常基础的内容，尤其是物质的量和质量之间的相互转换。两者以摩尔质量为桥梁联系起来。

例题

分析天平能够检测的质量下限是0.1 mg，那么最小可检测量的Mg(NO₃)₂中含有多少个离子？

解答

0.1 mg Mg(NO₃)₂的物质的量是0.1×10⁻³ ÷ 148.31 = 6.747×10⁻⁷ mol，而1 mol Mg(NO₃)₂中含有3 mol个离子。故离子数是6.747×10⁻⁷ × 6.02214×10²³ × 3 = 1.2×10¹⁸。

练习

金的密度是19.32 g cm⁻³，一块边长2.50 cm，厚度0.100 mm的金箔含有多少个金原子？

例题

乙硫醇C₂H₆S是气味最重的物质之一，天然气中常常加有乙硫醇，以便在泄露时能及时发现。1.0 μL的乙硫醇样品中含有多少个分子？乙硫醇的密度是0.84 g mL⁻¹。

解答

1.0 μL乙硫醇的质量是8.4×10⁻⁴ g，因此物质的量为8.4×10⁻⁴ ÷ 62.138 =1.35×10⁻⁵ mol。故含有1.35×10⁻⁵ × 6.02214×10²³ = 8.1×10¹⁸个分子。

练习

乙硫醇被嗅出的检测限度是9×10⁻⁴ μmol m⁻³，那么1 μL乙硫醇均匀扩散到长宽高为20 m × 10 m × 3 m的教室中，能否被嗅出？

回顾：1 mol元素

在第二章中，我们将1 mol元素看成6.02214×10²³个原子，例如1 mol S = 6.022×10²³ S原子 = 32.07 g硫。对于多数金属而言，这种说法没有问题，因为金属由大量球形原子聚集而成，就像罐子里的弹珠一样。但有些元素单质是由有限个原子组成的分子构成，S₈和P₄的结构如下图所示。其他你需要掌握的例子包括H₂、O₂、N₂、F₂、Cl₂、Br₂、I₂。

S8-and-P4 硫黄和白磷中的分子分别为S₈和P₄，两者的分子均含有多个原子。S₈是皇冠形的分子，而P₄具有正四面体结构。

对于这些元素，摩尔质量可以用两种方式表示。以S₈为例，硫的原子质量是32.07 g mol⁻¹，而S₈的分子质量是256.56 g mol⁻¹。

另一种情况是某些元素以多种分子的形式存在，这种现象称为同素异形(allotropy)。例如氧可以形成常见的氧气分子O₂，也可以形成臭氧分子O₃。氧气的摩尔质量是31.998 g mol⁻¹，而臭氧的摩尔质量是47.997 g mol⁻¹

3.3 化合物的组成

通过化学式我们可以获得化合物的元素组成信息，还是以硝酸镁Mg(NO₃)₂为例，1个式单位包含一个镁离子和两个硝酸根，即1 Mg(NO₃)₂ ~ 1 Mg²⁺ ~ 2 NO₃⁻。也可以说1个式单位包含2个氮原子和6个氧原子，即1 Mg(NO₃)₂ ~ 2 N ~ 6 O。因此每mol Mg(NO₃)₂包含2 mol氮原子和6 mol氧原子，类似的转换关系在题目中经常出现。

例题

硝酸镁的密度是2.31 g cm⁻³，25.0 cm³的硝酸镁固体中含有多少个氧原子？

解答

25.0 cm³的硝酸镁质量是25.0 × 2.31 = 57.8 g，相当于57.8 ÷ 148.313 = 0.389 mol Mg(NO₃)₂，因此其中含有0.389 × 6 = 2.34 mol 氧原子，即2.34 × 6.02214×10²³ = 1.41×10²⁴个氧原子。

练习

体积为100 cm³的硝酸镁晶体中含有多少质量的氮？

元素的百分含量

当化学家认为自己合成了一种新物质时，通常会对样品进行元素分析(elemental analysis)，即确定含有的元素及百分含量。通过将实验结果与通过预期的化学式计算得到的百分含量进行比较，可以确定产物是否符合预期。元素的百分含量通过如下步骤计算得到：

计算化合物的摩尔质量，并作为分母。
将给定元素的原子量与其在式单位中的个数相乘，并作为分子。
两者相除，并乘以100%获得给定元素的百分含量。

以计算硝酸镁Mg(NO₃)₂的氮含量为例，其式量为148.313 g mol⁻¹。一个式单位含有2个氮原子，因此氮的质量分数为：$\frac{14.01\times 2}{148.313}\times 100\%=18.89\%$。

显而易见，物质所含的元素的质量分数之和为100%。如果我们知道某种元素之外其他元素的质量分数，用100%减去其他元素质量分数就能得到该元素的质量分数。

例题

计算硝酸镁中氧和镁的质量分数，验证物质所含的元素的质量分数之和为100%。

解答

Mg(NO₃)₂的氧含量是6 × 16.00 ÷ 148.313 × 100% = 64.73%；镁含量是24.30 ÷ 148.313 × 100% = 16.38%。三者之和为18.89% + 64.73% + 16.38% = 100%。

练习

氟烷(fluothane)是一种含有溴吸入性全身麻醉剂，化学式为C₂HBrClF₃。计算氟烷中卤素的总质量分数。

根据实验数据确定化学式

你现在发现了一种未知的化合物，并通过元素分析获得了有关元素的质量分数，很多时候这些信息足矣确定其化学式。我们以化合物2-脱氧核糖为例，2-脱氧核糖是DNA（脱氧核糖核酸）的组成成分，2-脱氧核糖的元素分析结果为：44.77% C、7.52% H和47.71% O。获得化学式的步骤如下：

假定某个元素的物质的量为1 mol，选择何种元素需要依靠你的直觉，以选择氧元素为例：
氧的物质的量为1 mol，那么碳的物质的量为：1 × 16.00 ÷ 47.71% × 44.77% ÷ 12.01 = 1.250 mol。同样可知，氢的物质的量为2.50 mol。
获得元素比例信息，C:H:O = 1.25:2.50:1。将其转换为最小整数比，5:10:4。
2-脱氧核糖的经验式是C₅H₁₀O₄。

实际的分子式应当是经验式的某个整数倍，例如C₁₀H₂₀O₈等。通过质谱可以获得分子的质量，实验确定2-脱氧核糖的分子量为134 u，因此其分子式是C₅H₁₀O₄，与经验式相同。

例题

琥珀酸二丁酯是一种驱虫剂，用于杀死家中的蚂蚁和蟑螂。其组成为62.58% C、9.63% H和27.79% O。实验确定其分子量为230 u。琥珀酸二丁酯的经验式和分子式是什么？

解答

假定碳有1 mol，按照上面的步骤按部就班可以得出该物质C:H:O = 1:1.83:0.33 = 6:11:2，因此经验式为C₆H₁₁O₂。但我们可以直接用分子量乘以质量分数再除以原子量，以碳为例：230 × 62.58% ÷ 12.01 = 11.98。通过这种方法可以直接得出分子式：C₁₂H₂₂O₄。

练习

山梨糖醇是一种低热量的甜味剂，分子量为182 u，含有39.56 wt%的碳和7.74 wt%的氢，剩下的元素是氧。山梨糖醇的分子式是什么？

燃烧分析

燃烧分析(combustion analysis)是一种常用于有机化合物元素分析的方法。在燃烧分析中，已知质量的化合物样品在氧气流中燃烧。燃烧产生的水蒸气和二氧化碳被适当的物质吸收，吸收剂增加的质量等于水和二氧化碳的质量。

燃烧分析实验装置示意图：氧气流依次通过炉中的样品、盛有高氯酸镁的容器、盛有氢氧化钠的容器。更为现代的燃烧分析是通过光谱方法进行的，红外光谱可直接测量产物中二氧化碳和水蒸气的含量。 combustion-analysis

燃烧分析实验装置示意图：氧气流依次通过炉中的样品、盛有高氯酸镁的容器、盛有氢氧化钠的容器。更为现代的燃烧分析是通过光谱方法进行的，红外光谱可直接测量产物中二氧化碳和水蒸气的含量。

燃烧后，有机物中所有的碳原子都转化为CO₂，所有的氢原子转化为 H₂O，且碳和氢唯一的来源是样品。CO₂和H₂O中的氧可能部分来源于样品，部分来自于反应消耗的氧气。因此氧含量不是直接通过元素分析获得的。

例题

维生素C参与人体合成胶原蛋白的生物途径，因此缺乏维生素C会导致坏血病。燃烧0.2000 g维生素C的样品会产生0.2998 g CO₂和0.0819 g H₂O。维生素C仅由C、H、O组成，其经验式是什么？

解答

0.2998 g CO₂含有0.08181 g C，因此维生素C的碳含量是40.91%。同理，维生素C的氢含量是4.58%，由于维生素C仅由C、H、O组成，因此氧含量是100% − 40.91% − 4.58% = 54.51%。假定碳的物质的量是1 mol，那么物质的量之比C:H:O = 1:1.33:1.000。其经验式为C₃H₄O₃。

练习

燃烧1.505 g噻吩——一种含硫的有机化合物，得到3.149 g CO₂、0.645 g H₂O和1.146 g SO₂。噻吩的经验式是什么？

并非所有的样品都能燃烧，例如很多卤代烃是不可燃的。这些时候我们会使用其他的分析方法。现代的分析实验室更多依靠仪器的物理测量而不是化学反应，有关仪器分析的部分内容会在后续课程中学习。

3.4 氧化态

化学中大多数科学概念涉及可观测的物理量或现象，但少数情况下人们会引入没有任何物理基础的概念。氧化态（氧化数，oxidation state/number）就属于这种情况。简单来说，如果原子所成的键都是离子性的，那么其所带的电荷就是氧化数。以离子化合物NaCl为例，钠原子失去一个电子，而氯获得一个电子。因此Na⁺处于+1氧化数，Cl⁻处于−1氧化数。而MgCl₂中Mg失去两个电子形成Mg²⁺，氧化数为+2。而Cl的氧化数是−1。氯化镁化学式中所有原子的氧化数之和为0。

在Cl₂分子中，两个Cl原子是等同的，其具有相同的氧化数。假定Cl₂的总氧化数为0，那么每个Cl的氧化数都为0。因此元素有多种可能的氧化数，取决于具体的化合物。而在H₂O分子中，我们假定H的氧化数为+1，如果化合物中总氧化数为0，那么O的氧化数为−2。

由此可以看出，氧化数是根据一些人为规定所分配的。确定氧化数的规则非常复杂，因为化合物的种类繁多，经常有一些例外出现，需要额外指定规则以完善整个体系。我们现在只需要掌握一些经验性、且通常适用的7条规则。如果规则之间相互冲突，优先满足低序号的规则。

单个原子或单质的氧化数为0。

例：单质汞中，Hg的氧化数为0；Cl₂中Cl的氧化数为0。
电中性物种总原子氧化数之和为0，而离子的氧化数之和等于电荷数。

例：MgCl₂中原子的氧化数之和为0，而Fe³⁺中Fe的氧化数为+3。
第1族金属（碱金属）氧化数为1，而第2族元素（碱土金属）氧化数为2。

NaH中Na的氧化数为+1；CaCO₃中Ca的氧化数为+2。
化合物中，氟的氧化数为−1。

例：OF₂中F的氧化数为−1。
化合物中，氢的氧化数基本为+1。

例：H₂O₂中H的氧化数为+1。
化合物中，氧的氧化数基本为−2。

例：KMnO₄中O的氧化数为−2。
含金属的二元化合物中，第17族元素氧化数为−1，第16族元素氧化数为−2，第15族元素氧化数为−3。

例：Li₃N中N的氧化数为−3。

例题

指出以下物种中各元素的氧化数是多少：P₄、MnO₄⁻、NaH、H₂O₂、OF₂、Fe₃O₄。

解答

P₄是磷的单质，故P的氧化数为0；

MnO₄⁻中O的氧化数为−2，而所有原子氧化数之和为−1，因此Mn的氧化数为+7；

NaH中Na的氧化数为+1，H的氧化数为−1；

H₂O₂中H的氧化数为+1，O的氧化数为−1；

OF₂中F的氧化数为−1，O的氧化数为+2；

在Fe₃O₄中，O的氧化数为−2，Fe的氧化数为$+\frac{8}{3}$。

练习

指出以下物种中各元素的氧化数是多少：S₈、S₂O₃²⁻、S₄O₆²⁻、Hg₂Cl₂、KO₂。

Fe₃O₄中铁的氧化数为$+\frac{8}{3}$有些令人疑惑。非整数的氧化数是确实存在的，例如O₂⁻离子中O的氧化数为−0.5。但在Fe₃O₄中，是由于Fe存在不同氧化数的原子。Fe₃O₄可以写成Fe₂O₃·FeO。FeO中Fe的氧化数为+2，而Fe₂O₃中Fe的氧化数为+3。两种表述方法都可以，取决于使用何者更为方便。

另一个类似但不完全相同的例子是NH₄NO₃，尽管我们可以按照上述规则将N的氧化数定为+1，但实际上NH₄NO₃是由离子NH₄⁺和NO₃⁻组成的。因此N的氧化数为−3和+5，多数情况下使用单个N原子的氧化态比使用平均氧化态更有用。

3.5 化合物命名法

化合物种类繁多，很多化合物有俗名或商品名，例如维生素C、扑热息痛、明矾等。我们不可能给每一个物质都取一个俗名，这样我们需要学习数百万个不相关的名字。因此必须要有一套系统的命名方法，在这套方法中类似的化合物有着类似的名称。

有多套命名系统，处理不同种类的化合物。有机化合物有自己的命名规则，多肽、多糖、核酸等多聚物也有一套独特的命名方法。我们只需掌握简单的无机化合物及有机化合物的命名方法。

3.6 无机化合物的命名法

金属和非金属形成的二元化合物

二元化合物(binary compound)是两种元素形成的化合物。如果一种元素是金属，另一种是非金属，该化合物通常是离子化合物，即二元离子化合物。命名金属和非金属形成的二元化合物时，先写出非金属的元素名，在元素名后加『化』，然后写出金属的元素名。

例如NaCl、MgI₂和Al₂O₃分别叫作：氯化钠、碘化镁和氧化铝。由于氧离子带−2的电荷，铝离子带+3的电荷，要保证化合物的总氧化数为0，氧和铝的比例一定是3:2。

一些金属可能会形成多种离子，从而形成多种不同的化合物，因此命名的时候必须将其区分开来。铁可以形成两种常见的离子，第一种是Fe²⁺，称为铁(II)离子或亚铁离子。第二种是Fe³⁺，称为铁(III)离子或铁离子。对应的氯化物，FeCl₂称为氯化亚铁或二氯化铁或氯化铁(II)。而FeCl₃称为氯化铁或三氯化铁或氯化铁(III)。

亚铁离子、亚铜离子中的亚表示比常见的氧化数更低的状态，因此亚铜离子指的是Cu⁺。而高表示氧化数更高的状态，例如高氯酸钾KClO₃。这种方法有几个缺点，因此IUPAC推荐的系统命名不使用亚铁这样的名称。

离子	名称	名称	离子	名称	名称
Cr³⁺	铬离子	铬(III)离子	Sn⁴⁺	锡离子	锡(IV)离子
Cr²⁺	亚铬离子	铬(II)离子	Sn²⁺	亚锡离子	锡(II)离子
Fe³⁺	铁离子	铁(III)离子	Hg²⁺	汞离子	汞(II)离子
Fe²⁺	亚铁离子	铁(II)离子	Hg₂²⁺	亚汞离子	汞(I)离子
Cu²⁺	铜离子	铜(II)离子
Cu⁺	亚铜离子	铜(I)离子

例题1

写出物质的化学式：硫化钡、氟化钙、磷化铜(II)。

解答1

硫离子、氟离子和磷离子的氧化数分别是−2、−1和−3，而钡离子、钙离子和铜(II)离子氧化数均为+2，因此化学式为BaS、CaF₂和Cu₃P₂。

例题2

写出物质的名称：Na₂S、AlF₃、Cu₂O。

解答2

分别为硫化钠、氟化铝、氧化铜(I)。

练习

写出物质的名称：CsI、CrCl₃、CaH₂、Hg₂Cl₂。

非金属形成的二元化合物

如果两种非金属形成二元化合物，该化合物通常是分子化合物。分子化合物的命名方法与前类似，例如HCl被称为氯化氢，H₂S被称为硫化氢。我们先写出负化合价的元素，因此HCl不被称为氢化氯。

一些非金属形成多种二元化合物，需要加以区分。例如硫的常见氧化物包括SO₂和SO₃，前者被称为二氧化硫，后者被称为三氧化硫。如果两种元素均有多个原子，例如B₂Br₄，其被称为四溴化二硼。化合价为正的原子的数量如果为1，那么『一』可以省略，例如NO称为一氧化氮。

一些常见化合物几乎不使用系统命名，例如水——一氧化二氢，氨——一氮化三氢。

氢酸

HCl的名称是氯化氢，有些时候我们想强调其水溶液呈酸性，会将其称为某酸。什么是酸会在第16章学习，现在你只需知道酸是能在水中电离产生氢离子H⁺（实际为水合氢离子）和阴离子的物质。氢酸(binary acid)是氢和非金属形成的二元酸性化合物，HCl在水中电离产生H⁺和Cl⁻，它是一种二元酸。而NH₃在水中不能电离产生H⁺，故NH₃不是酸。我们用『氢某酸』来命名氢酸，例如氢氯酸、氢硫酸。常见的氢酸包括：HF、HCl、HBr、HI和H₂S。

多原子离子

除了Hg₂²⁺外，其他金属离子是单原子离子。氯离子、溴离子、氧离子也是单原子离子。而多原子离子包含多个原子，原子之间通过共价键连接在一起，这在非金属中非常常见。常见多原子离子的名称、化学式，以及典型化合物的名称如下表所示：

名称	化学式	典型化合物	化合物名称
铵根/铵离子	NH₄⁺	NH₄Cl	氯化铵
乙酸根	CH₃COO⁻	NaCH₃COO	乙酸钠
碳酸根	CO₃²⁻	Na₂CO₃	碳酸钠
碳酸氢根	HCO₃⁻	NaHCO₃	碳酸氢钠
次氯酸根	ClO⁻	NaClO	次氯酸钠
亚氯酸根	ClO₂⁻	NaClO₂	亚氯酸钠
氯酸根	ClO₃⁻	NaClO₃	氯酸钠
高氯酸根	ClO₄⁻	NaClO₄	高氯酸钠
铬酸根	CrO₄²⁻	Na₂CrO₄	铬酸钠
重铬酸根	Cr₂O₇²⁻	Na₂Cr₂O₇	重铬酸钠
氰根/氰离子	CN⁻	NaCN	氰化钠
氢氧根/氢氧离子	OH⁻	NaOH	氢氧化钠
亚硝酸根	NO₂⁻	NaNO₂	亚硝酸钠
硝酸根	NO₃⁻	NaNO₃	硝酸钠
草酸根	C₂O₄²⁻	Na₂C₂O₄	草酸钠
高锰酸根	MnO₄⁻	NaMnO₄	高锰酸钠
磷酸根	PO₄³⁻	Na₃PO₄	磷酸钠
磷酸（一）氢根	HPO₄²⁻	Na₂HPO₄	磷酸氢二钠
磷酸二氢根	H₂PO₄⁻	NaH₂PO₄	磷酸二氢钠
亚硫酸根	SO₃²⁻	Na₂SO₃	亚硫酸钠
亚硫酸氢根	HSO₃⁻	NaHSO₃	亚硫酸氢钠
硫酸根	SO₄²⁻	Na₂SO₄	硫酸钠
硫酸氢根	HSO₄⁻	NaHSO₄	硫酸氢钠
硫代硫酸根	S₂O₃²⁻	Na₂S₂O₃	硫代硫酸钠

从上面的表格，我们可以发现一些规律：

多原子阴离子比多原子阳离子更常见，最常见的多原子阳离子是铵根NH₄⁺。
大多数离子被称为某根，少数可直接称为某离子，如氰离子、氢氧离子。
一些非金属形成多种不同氧化数的酸根，用亚、次、高的词头加以区分。
许多阴离子含有氧元素，氧和另一种非金属结合，这种阴离子被称为酸根(oxoanion)。
卤素的常见酸根都只带一个负电荷。
某些酸根带有不同数量的氢原子，例如HPO₄²⁻是磷酸一氢根，H₂PO₄⁻是磷酸二氢根。
硫代表示有氧原子被硫原子所代替。
对应的化合物的名称是将『根』替换为阳离子，如硝酸根→硝酸钠。少数直接称为某离子的阴离子对应的化合物称为某化阳离子，如氰离子→氰化钠。

含氧酸

大多数酸由三种元素组成，称为三元化合物。其中一种元素一定是氢，若另外的元素含氧，则称其为含氧酸。含氧酸可看成是氢离子和含氧阴离子（酸根）的结合。含氧酸的名字直接把『酸根』改为『酸』即可。酸通常是分子化合物，而盐是离子化合物。

氧化数	化学式	名称	盐的化学式	名称
Cl : +1	HClO	次氯酸	NaClO	次氯酸钠
Cl : +3	HClO₂	亚氯酸	NaClO₂	亚氯酸钠
Cl : +5	HClO₃	氯酸	NaClO₃	氯酸钠
Cl : +7	HClO₄	高氯酸	NaClO₄	高氯酸钠
N : +3	HNO₂	亚硝酸	NaNO₂	亚硝酸钠
N : +5	HNO₃	硝酸	NaNO₃	硝酸钠
S : +4	H₂SO₃	亚硫酸	Na₂SO₃	亚硫酸钠
S : +6	H₂SO₄	硫酸	Na₂SO₄	硫酸钠

例题

写出物质的名称：ClO₂、HBrO₄、Ca(H₂PO₄)₂。

解答

名称分别是：二氧化氯、高溴酸、磷酸二氢钙。

练习

写出物质的名称：SF₆、HIO、AgClO₄、FeSO₄。

更复杂的化合物

在上一章提到，约瑟夫·普鲁斯特用碳酸盐沉淀硝酸铜中的铜，得到绿色沉淀。该沉淀的组成和天然矿石孔雀石相同，化学式为Cu₂(OH)₂CO₃。而在一些药物手册中，同样的化合物被称为碱式碳酸铜，化学式为CH₂Cu₂O₅。在化学手册中，其被称为碳酸二羟铜(II)，化学式为CuCO₃·Cu(OH)₂。三种写法是等同的，从任何一个化学式都能得出正确的原子比例。

有些无机盐可以形成水合物(hydrate)，例如硫酸铜常以五水合硫酸铜的形式存在：CuSO₄·5H₂O。水合物并不是湿的，很多水合物外观和食盐一样，水合物中的水分子不像液态水那样自由。

无水氯化钴是蓝色的固体，吸水后变为粉色的六水合氯化钴CoCl₂·6H₂O。一些无水盐可以用作干燥剂，例如氯化钙。CoCl₂很容易失去或吸收水，可以利用这一性质制作简单的湿度计。

3.7 有机化合物的命名法

按种类计的话，绝大多数化合物都是有机化合物，有机化合物也在生活中扮演着重要的地位：食物基本由有机化合物组成，糖类、蛋白质和脂肪是最主要的营养物质。几乎所有的高分子材料都是有机化合物，塑料在生活中随处可见。有机化合物拥有独特的性质，因此单独作为一门二级学科存在。

有机化合物种类繁多与碳的成键能力密不可分，碳通常形成四根化学键，碳原子之间可以相互成键，形成长链或者环状的骨架。碳还可以和其他原子，如氧、硫、氮相连。这些可能性允许形成几乎无数种有机化合物。有机化合物大多数分子化合物，也有少数离子化合物。

复杂的有机化合物的系统名通常是非常冗长、琐碎的。例如蔗糖的系统名为：α-D-吡喃葡萄糖基-β-D-呋喃果糖苷。很多有机化合物有俗名，在普通化学中我们更多的使用俗名而不是系统名。现在只需需要掌握简单有机化合物的系统命名法。

烃（碳氢化合物）

最简单的有机化合物是甲烷CH₄，包含一个碳原子和四个氢原子。由碳和氢组成的二元化合物称为烃(tīng, hydrocarbon)，这个字刚好包含碳中的『火』和氢中的『𢀖』，读音也是碳的声母和氢的韵母组合而成的。烷烃(alkane)是只包含单键的烃，下一个成员是乙烷C₂H₆，再之后是丙烷C₃H₈，以及丁烷C₄H₁₀。每多一个碳，氢原子会增加两个，因此烷烃的通式为C_nH_2n+2。

烷烃的名称由两部分组成，词干（前缀）表示碳原子数，十以内（含）用天干（甲乙丙丁戊己庚辛壬癸）表示，超过十直接用中文数字表示。结尾（后缀）是『烷』，例如含八个碳的烷称为辛烷，含十二个碳的烷称为十二烷。

碳原子之间含有一个或多个碳碳双键的烃称为烯烃(alkene)，烯烃的名称需将对应烷烃中的『烷』改成『烯』，如乙烯(C₂H₄)、丙烯(C₃H₆)。苯(C₆H₆)是一种特殊的环状化合物，很多有机化合物包含与苯相关的结构。

3.1节提到过丁烷和异丁烷的结构式，它们具有相同的化学式C₄H₁₀，但结构不同。这种现象称为同分异构(isomerism)，这两个分子互称为同分异构体（异构体，isomer）。异丁烷又称为2-甲基丙烷，其可以看成是甲基(CH₃—)取代丙烷中的一个氢原子获得的。随着分子变得更为复杂，同分异构体的数量爆发式增长。

例题

判断下面两组分子是否互为同分异构体：

解答

第一组分子化学式分别为C₇H₁₆和C₈H₁₈，不属于同分异构体。第二组分子化学式均为C₆H₁₄，但结构不同，属于同分异构体。

练习

判断下面两组分子是否互为同分异构体：

官能团

碳链构成有机化合物的骨架，骨架上的氢原子可以被其他原子或原子团取代，从而形成新的化合物。以酒中的乙醇为例，乙醇的化学式为CH₃CH₂OH，其可以看成由乙烷中的一个—H被—OH基团取代得到的。乙醇的名称衍生自乙烷，最后的『烷』改成『醇』。『醇』表示一类含有—OH基团的有机化合物。

乙醇的俗名是酒精，乙醇存在于各种酒类中——葡萄酒、米酒、黄酒等。最简单的醇是甲醇，是由甲烷衍生来的。甲醇又叫木醇，因为通过干馏木头可以获得甲醇。甲醇和乙醇结构相似，但甲醇的毒性远高于乙醇。过去有人用掺有甲醇的酒精勾兑白酒，造成多人中毒，严重者会失明甚至死亡。

醇中的—OH基团被称为羟基(hydroxyl group)，羟基是一种官能团(functional group)。官能团是连接在碳链上，并赋予分子特征的单个原子或原子团。具有相同官能团的物质通常具有相似的性质。在本章我们只需学习几个官能团，更多的官能团会在第26章了解。

官能团会增加异构体的数量，例如丙醇是丙烷中的一个氢被羟基取代得到的。有两种可能的取代位置：末端碳上的氢或中间碳上的氢。取代末端碳上的氢得到1-丙醇，取代中间碳上的氢得到2-丙醇。1和2表示羟基所在的位置，三个碳的编号依次为1、2、3。

另一个重要的基团是羧基(carboxylic group)，—COOH或—CO₂H，带有羧基的分子是酸性的。羧基中的碳同时和两个氧原子相连，但连接方式并不一样。端基氧与碳通过双键连接，而羟基氧与碳通过单键相连。最简单的羧酸是甲酸HCOOH，又叫蚁酸，因为蚂蚁可以分泌这种化学物质抵御敌害。含有两个碳的羧酸称为乙酸，俗称醋酸。其化学式为CH₃COOH，白醋是乙酸的水溶液。单个的卤素原子也是官能团，烷烃的氢原子被卤素取代得到卤代烃。命名这类化合物时，在母体前面加上对应的卤素的名称，如氯乙酸。