主族元素最高价氧化物的水化物分子式写法

在元素周期表教学中，给出同主族元素最高价氧化物水化物的酸碱性递变规律后，学生总是试图写出这些水合物的化学式（以下简称分子式）。这时，介绍一下这些分子式的写法，学生是很乐于接受的。

写出这些水化物分子式的预备知识有三点：

首要的，当然还是要考虑到各元素的化合价。它关系到某个原子所能结合的其它原子个（或原子团）数目的多少。且在一个正确的分子式中，各元素化合价之和起码应该是“零”。

其次，某个原子所能结合的其它原子个数的多少，还与其所能提供的成键原子轨道数，及原子半径比有关。其原子半径大，能提供的原子轨道多，它能结合的原子数才可能多。这个数字可以称作是配位数。

一般情况下，第二周期原子与氧原子结合时的配位数不大于3，第三、四周期原子的配位数不大于4，第五周期原子的配位数可以是4或6。

第三，氧化物与水反应而生成的水合物，实际都有形式为M(OH)n的组成与结构。它有两种解离的方式（以n=1为例，如下图）。

当a键与b 键的强度有差别时：如a键更容易断裂，就会生成M⁺及OH^-离子，发生的是碱式解离，可称这种物质为碱；如b键更容易断裂，就会生成MO^-及H⁺离子，这时发生的是酸式解离，可称这种物质为酸。当a键与b 键的强度差不多，受外部环境影响，可能进行碱式解离，也可能进行酸式解离时，就称这种物质为两性氢氧化物。

即，在这三类物质中，M都是中心原子，O原子是其配原子，H原子是“端基”原子。从组成来看，这三者间并没有什么根本的区别。将硫酸SO₂(OH)₂写为H₂SO₄的形式，只不过是为了将其容易解离的H⁺离子，以醒目的方式突出出来罢了。

据此，就可以给出下面两个，写出某元素最高价氧化物的水化物分子式的方法。

一、通式法

当某主族元素的最高氧化数（即主族数）为n 时，其氧化物的水化物分子式就应该用通式M(OH)n，来描述。

1. n较小时

当n=1时，其分子式为MOH；当n=2时，其分子式为M(OH)₂；当n=3时，其分子式为M(OH)₃。这些物质都是常见的，也是大家很熟悉的。

2. 当n=4时

其分子式为M(OH)₄（或写为H₄MO₄，也称为原酸）。对这种M的配原子较大的情况，就要考虑配位数的影响。

对第二周期的C原子，其最大的配位数只有3。所以，从原酸中要减去一个水分子（两个氢原子、一个氧原子）。这样得到的结果是H₂CO₃。

第三周期Si的配位数可以是4。这样正硅酸H₄SiO₄就没有必要再去“脱水”。当然由于溶液浓度或温度的影响，而产生的“脱水”现象，那属于另外的一类问题了。

属于其它几个周期的Ge、Sn、Pb氧化物的水化物都难溶，且是一些组成不定的氧化物水合物，除写为M(OH)₄外，还常用XMO₂·yH₂O来表示。

第五周期的含氧酸盐还可以被写成Na₂[Sn(OH)₆]，这样的形式。可以被看做是M(OH)₄·2H₂O（中的2个H₂O分子给出2个H⁺离子后所成）的盐。

3. 当n=5时

其分子式为M(OH)₅（或写为H₅MO₅）。当然就更要考虑配位数的影响了。

对第二周期的N原子，其最大的配位数只有3。所以，从原酸中要减去两个水分子（四个氢原子、两个氧原子）。这样得到的结果是HNO₃。

第三周期P的配位数可以是4。这样，需要脱去一个水分子。得到的是H₃PO₄。

砷酸的分子式为H₃AsO₄。锑酸的分子式可写为H[Sb(OH)₆]。

4. 当n=6时

其分子式为M(OH)₆（或写为H₆MO₆）。当然也必须要考虑配位数的影响。

对第三、四周期的S和Se原子，其最大的配位数是4。所以，从原酸中要减去两个水分子（四个氢原子、两个氧原子）。这样得到的结果分别是H₂SO₄和H₂SeO₄。

第五周期Te的配位数可以是6。这样，不需要“脱水”，其分子式就是H₆TeO₆。

5. 当n=7时

其分子式为M(OH)₇（或写为H₇MO₇）。当然还是要考虑配位数的影响。

对第三、四周期的Cl和Br原子，其最大的配位数是4。所以，从原酸中要减去三个水分子（六个氢原子、三个氧原子）。这样得到的结果分别是HClO₄和HBrO₄。

第五周期I的配位数可以是6。这样，只要脱去一个水分子，可得到分子式H₅IO₆。

像Na₂H₃IO₆、Ag₅IO₆都是它的盐。

二、化合价法

依据的还是上面的三个“预备知识”。由某主族元素的最高化合价，是可以直接写出氧化物水化物的分子式的。步骤为：

第一步，在中间位置（左侧预留出少许位置）写出成酸原子的元素符号，在右上角标出其化合价。

第二步，在成酸原子右侧写出氧原子的元素符号，按中心原子配位数在其右下角标记处氧原子的个数，在其右上角标出氧原子的总负价数。

第三步，在成酸原子左侧写出氢原子的元素符号，据分子的化合价之和为零，计算出氢原子数，并标记出来。

可列表，将一些例子汇总如下：

中心原子   最高化合价    据周期数确定配位的氧原子数    定氢原子数

  C               C^{+4                               C+4} O₃^-6                     H₂CO₃

  P               P⁺⁵                                P⁺⁵ O₄^-8                       H₃PO₄

  Se            Se⁺⁶                              Se⁺⁶ O₄^-8                    H₂SeO₄

  I                I ⁺⁷                              I⁺⁷ O₆^-12                        H₅IO₆

可以看出，后一方法要更简单、实用一些。而前一方法的分析过程，则有利于学生对这些含氧酸的组成有一个较为全面的了解。

参考文献

[1] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年