目前发现的元素的最高化合价是金属锇的+8价吗？还有最低价态只有-4价吗？
你这个问题问得很棒，直接触及了元素化合价的上限和下限，而且还提到了金属锇。这背后涉及到化学中一些很核心的概念。
首先，我们来聊聊最高化合价。你提到了金属锇（Os）的+8价，这确实是目前我们已知的、被广泛接受的最高稳定化合价之一。
为什么会有最高化合价？
元素之所以能够表现出不同的化合价，本质上是它原子在形成化学键时，失去、获得或共享电子的能力。化合价反映的就是一个原子在化合物中表现出的“视在电荷”或者说它参与了多少个电子的转移或共享。
失去电子：金属原子倾向于失去最外层电子，形成带正电的阳离子，这是正化合价的来源。
获得电子：非金属原子倾向于获得电子，形成带负电的阴离子，这是负化合价的来源。
共享电子：在共价键中，电子对的极化和不均匀共享，也可以用氧化数来描述，虽然不直接等同于离子电荷，但也反映了电子在成键原子间的分配情况。
锇的+8价是怎么回事？
锇（Os）是第8族的过渡金属。我们知道，元素周期表中的族数往往能提供关于最高化合价的线索。很多族数等于其元素能表现出的最高正化合价（例如，第1族碱金属最高+1，第2族碱土金属最高+2，第13族最高+3，第14族最高+4，第15族最高+5，第16族最高+6，第17族最高+7）。
锇属于第8族，理论上最高正化合价可以达到+8。在实际中，四氧化锇（OsO₄）是一个非常著名的例子，其中锇的化合价就是+8。OsO₄是一种挥发性的、有毒的无色晶体，它在化学中常用作氧化剂，能够将烯烃氧化为邻二醇（diol）。
有没有比锇+8更高的化合价？
目前，+8确实是科学家们公认的、元素能稳定存在的最高化合价之一。
为什么+8会是一个“瓶颈”？
电子排布的限制：一个原子的最高化合价通常与其最外层（价电子层）的电子数有关。例如，锇位于第六周期，它的价电子构型是 $5d^6 6s^2$。要达到+8价，意味着锇原子失去了所有的 $5d$ 和 $6s$ 电子。虽然这在理论上是可能的，但失去这么多电子需要巨大的能量。
相对论效应：对于重元素，尤其是第六、第七周期的元素，相对论效应会显著影响原子轨道能级。这会使得一些内层电子的能量降低，而最外层一些电子（特别是s轨道电子）的能量反而相对提高，变得更容易失去。相对论效应是使得锇、铼（Re）、铂（Pt）等元素能表现出比其周期表同族轻元素更高的化合价的重要原因。比如，铼（Re）也能达到+7价（如$Re_2O_7$），而同族的锰（Mn）最高是+7价（如$KMnO_4$）。锇+8价的稳定性，很大程度上是相对论效应和其电子构型共同作用的结果。
稳定性：化合价的高低不仅仅是理论上的可能性，更重要的是其化合物的稳定性。即使一个元素在某种极端条件下可能失去更多电子，如果形成的阳离子非常不稳定，容易与阴离子结合或者发生其他反应，那么它就不会被视为稳定的最高化合价。+8价的OsO₄在很多反应中表现出相对稳定的状态（尽管它本身是一个强氧化剂，会继续反应）。
那么，最低化合价只有4价吗？
答案是：不是的。最低化合价远远不止4价，甚至可以说，很多元素都有远低于4的最低化合价。
为什么会有最低化合价？
最低化合价通常与原子获得电子以达到稳定的电子层结构（如达到惰性气体的电子构型）有关。
负化合价的来源：当一个原子倾向于从其他原子（通常是电负性更强的原子）那里获得电子时，它就会表现出负化合价。
由什么决定？ 最低化合价主要取决于原子价电子层的电子数量。如果一个原子最外层有 $n$ 个电子，并且它通过获得电子来填满最外层（比如达到8电子的稳定结构，或填满s和p轨道），那么它的最低化合价通常是 $n$（或者通过填满更小的电子层）。
最低化合价远不止4价的例子：
1价：
氢（H）：与金属（如NaH）形成氢化物时，氢得到一个电子，表现为1价。
氟（F）：作为电负性最强的元素，它在几乎所有化合物中都表现为1价。
氧（O）：在过氧化物（如$H_2O_2$）中，氧是1价。
2价：
氧（O）：这是氧最常见的化合价，比如在水中（$H_2O$）。
硫（S）：在硫化物（如$H_2S$）中是2价。
3价：
氮（N）：在氨（$NH_3$）中是3价。
磷（P）：在磷化氢（$PH_3$）中是3价。
砷（As）：在砷化氢（$AsH_3$）中是3价。
4价：
碳（C）：在甲烷（$CH_4$）中，碳是4价。
硅（Si）：在硅烷（$SiH_4$）中，硅是4价。
更低的化合价：
5价：磷（P） 和 砷（As） 等第15族元素，在与电负性比它们更强的元素（如卤素）结合时，可以表现出较低的负化合价。例如，磷与氟形成$PF_3$时，磷是+3价，但如果我们考虑在某些超强还原性环境下，它们理论上是否能得到更多电子，这取决于电子层的填充情况。实际上，大多数非金属达到与族数同等数量的负价（比如3，4，5，6，7）就已经是常见的最低价了。
为什么会有人觉得最低化合价是4？
可能这个想法来源于一些最常见的非金属元素（如C、Si）在与电负性比它们更强的元素（如H）成键时的最低化合价。碳和硅在$CH_4$和$SiH_4$中的4价是教材中经常出现的例子，代表了它们获得4个电子以达到稳定结构。
然而，我们来看更具体的例子：
第14族元素：碳（C）在$CH_4$中是4价。硅（Si）在$SiH_4$中是4价。锗（Ge）在$GeH_4$中是4价。锡（Sn）在$SnH_4$中是4价。铅（Pb）在$PbH_4$中是4价。
第15族元素：氮（N）在$NH_3$中是3价。磷（P）在$PH_3$中是3价。
第16族元素：氧（O）在$H_2O$中是2价。硫（S）在$H_2S$中是2价。
第17族元素：氟（F）在大多数化合物中是1价。氯（Cl）在$HCl$中是1价。
总结一下：
1. 最高化合价：你提到的金属锇（Os）的+8价，确实是已知的、非常高的稳定化合价，在第8族的钌（Ru）和铁（Fe）的同族元素中，+8价非常突出。这很大程度上与相对论效应有关。目前，+8被广泛认为是元素能稳定存在的最高正化合价之一。
2. 最低化合价：不是只有4价。最低化合价的范围要广得多。
许多非金属元素，如氢（H）在氢化物中是1价。
氧（O）在过氧化物中是1价。
氟（F）几乎总是1价。
硫（S）在硫化物中是2价。
氮（N）在氨中是3价。
碳（C）和硅（Si）在对应的烷烃类似物中是4价。
所以，对于最低化合价，我们需要理解它取决于原子能够获得多少电子来填充其价电子层，以达到稳定的电子构型。这个“目标”电子构型不同，所需的电子数也不同，因此最低化合价也不同。4价是某些元素（如碳）能达到的最低价，但绝不是普遍的最低值。
希望这些解释能让你对化合价的上下限有了更清晰的认识！
首先，我们来聊聊最高化合价。你提到了金属锇（Os）的+8价，这确实是目前我们已知的、被广泛接受的最高稳定化合价之一。
为什么会有最高化合价？
元素之所以能够表现出不同的化合价，本质上是它原子在形成化学键时，失去、获得或共享电子的能力。化合价反映的就是一个原子在化合物中表现出的“视在电荷”或者说它参与了多少个电子的转移或共享。
失去电子：金属原子倾向于失去最外层电子，形成带正电的阳离子，这是正化合价的来源。
获得电子：非金属原子倾向于获得电子，形成带负电的阴离子，这是负化合价的来源。
共享电子：在共价键中，电子对的极化和不均匀共享，也可以用氧化数来描述，虽然不直接等同于离子电荷，但也反映了电子在成键原子间的分配情况。
锇的+8价是怎么回事？
锇（Os）是第8族的过渡金属。我们知道，元素周期表中的族数往往能提供关于最高化合价的线索。很多族数等于其元素能表现出的最高正化合价（例如，第1族碱金属最高+1，第2族碱土金属最高+2，第13族最高+3，第14族最高+4，第15族最高+5，第16族最高+6，第17族最高+7）。
锇属于第8族，理论上最高正化合价可以达到+8。在实际中，四氧化锇（OsO₄）是一个非常著名的例子，其中锇的化合价就是+8。OsO₄是一种挥发性的、有毒的无色晶体，它在化学中常用作氧化剂，能够将烯烃氧化为邻二醇（diol）。
有没有比锇+8更高的化合价？
目前，+8确实是科学家们公认的、元素能稳定存在的最高化合价之一。
为什么+8会是一个“瓶颈”？
电子排布的限制：一个原子的最高化合价通常与其最外层（价电子层）的电子数有关。例如，锇位于第六周期，它的价电子构型是 $5d^6 6s^2$。要达到+8价，意味着锇原子失去了所有的 $5d$ 和 $6s$ 电子。虽然这在理论上是可能的，但失去这么多电子需要巨大的能量。
相对论效应：对于重元素，尤其是第六、第七周期的元素，相对论效应会显著影响原子轨道能级。这会使得一些内层电子的能量降低，而最外层一些电子（特别是s轨道电子）的能量反而相对提高，变得更容易失去。相对论效应是使得锇、铼（Re）、铂（Pt）等元素能表现出比其周期表同族轻元素更高的化合价的重要原因。比如，铼（Re）也能达到+7价（如$Re_2O_7$），而同族的锰（Mn）最高是+7价（如$KMnO_4$）。锇+8价的稳定性，很大程度上是相对论效应和其电子构型共同作用的结果。
稳定性：化合价的高低不仅仅是理论上的可能性，更重要的是其化合物的稳定性。即使一个元素在某种极端条件下可能失去更多电子，如果形成的阳离子非常不稳定，容易与阴离子结合或者发生其他反应，那么它就不会被视为稳定的最高化合价。+8价的OsO₄在很多反应中表现出相对稳定的状态（尽管它本身是一个强氧化剂，会继续反应）。
那么，最低化合价只有4价吗？
答案是：不是的。最低化合价远远不止4价，甚至可以说，很多元素都有远低于4的最低化合价。
为什么会有最低化合价？
最低化合价通常与原子获得电子以达到稳定的电子层结构（如达到惰性气体的电子构型）有关。
负化合价的来源：当一个原子倾向于从其他原子（通常是电负性更强的原子）那里获得电子时，它就会表现出负化合价。
由什么决定？ 最低化合价主要取决于原子价电子层的电子数量。如果一个原子最外层有 $n$ 个电子，并且它通过获得电子来填满最外层（比如达到8电子的稳定结构，或填满s和p轨道），那么它的最低化合价通常是 $n$（或者通过填满更小的电子层）。
最低化合价远不止4价的例子：
1价：
氢（H）：与金属（如NaH）形成氢化物时，氢得到一个电子，表现为1价。
氟（F）：作为电负性最强的元素，它在几乎所有化合物中都表现为1价。
氧（O）：在过氧化物（如$H_2O_2$）中，氧是1价。
2价：
氧（O）：这是氧最常见的化合价，比如在水中（$H_2O$）。
硫（S）：在硫化物（如$H_2S$）中是2价。
3价：
氮（N）：在氨（$NH_3$）中是3价。
磷（P）：在磷化氢（$PH_3$）中是3价。
砷（As）：在砷化氢（$AsH_3$）中是3价。
4价：
碳（C）：在甲烷（$CH_4$）中，碳是4价。
硅（Si）：在硅烷（$SiH_4$）中，硅是4价。
更低的化合价：
5价：磷（P） 和 砷（As） 等第15族元素，在与电负性比它们更强的元素（如卤素）结合时，可以表现出较低的负化合价。例如，磷与氟形成$PF_3$时，磷是+3价，但如果我们考虑在某些超强还原性环境下，它们理论上是否能得到更多电子，这取决于电子层的填充情况。实际上，大多数非金属达到与族数同等数量的负价（比如3，4，5，6，7）就已经是常见的最低价了。
为什么会有人觉得最低化合价是4？
可能这个想法来源于一些最常见的非金属元素（如C、Si）在与电负性比它们更强的元素（如H）成键时的最低化合价。碳和硅在$CH_4$和$SiH_4$中的4价是教材中经常出现的例子，代表了它们获得4个电子以达到稳定结构。
然而，我们来看更具体的例子：
第14族元素：碳（C）在$CH_4$中是4价。硅（Si）在$SiH_4$中是4价。锗（Ge）在$GeH_4$中是4价。锡（Sn）在$SnH_4$中是4价。铅（Pb）在$PbH_4$中是4价。
第15族元素：氮（N）在$NH_3$中是3价。磷（P）在$PH_3$中是3价。
第16族元素：氧（O）在$H_2O$中是2价。硫（S）在$H_2S$中是2价。
第17族元素：氟（F）在大多数化合物中是1价。氯（Cl）在$HCl$中是1价。
总结一下：
1. 最高化合价：你提到的金属锇（Os）的+8价，确实是已知的、非常高的稳定化合价，在第8族的钌（Ru）和铁（Fe）的同族元素中，+8价非常突出。这很大程度上与相对论效应有关。目前，+8被广泛认为是元素能稳定存在的最高正化合价之一。
2. 最低化合价：不是只有4价。最低化合价的范围要广得多。
许多非金属元素，如氢（H）在氢化物中是1价。
氧（O）在过氧化物中是1价。
氟（F）几乎总是1价。
硫（S）在硫化物中是2价。
氮（N）在氨中是3价。
碳（C）和硅（Si）在对应的烷烃类似物中是4价。
所以，对于最低化合价，我们需要理解它取决于原子能够获得多少电子来填充其价电子层，以达到稳定的电子构型。这个“目标”电子构型不同，所需的电子数也不同，因此最低化合价也不同。4价是某些元素（如碳）能达到的最低价，但绝不是普遍的最低值。
希望这些解释能让你对化合价的上下限有了更清晰的认识！
网友意见
记得wiki上有吧。
超过+8的有，14年的Nature[1]，+9价的铱，当年算小轰动。我不知道有没有确信的+11。
16年有人预测铂可以到+10价[2]。
金属互化物里可以出现-5价，这和化合价/氧化数的定义有关[3]。-5价还有其他的例子。
这种文章还需要时间的验证，比如07年有人提出疑似发现+4价的汞[4]，但后来没有重复出来[5]。+3价的汞也被否定了[6]。
参考
- ^ http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature13795
- ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201604670
- ^ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ic960014z
- ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.200703710
- ^ https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2008/CP/b805608k#!divAbstract
- ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200802233
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