化學方程式

概念

化學方程式是用化學式(見基本化學式的寫法)、加號、箭號及簡單的數字來表示化學變化進行方向的一種式子。例如氫氣與氧氣燃燒產生水蒸汽是一種化學變化,於是吾人用下式來表示其變化:

2H2+O2→2H2O

化學方程式有時也簡稱方程式或反應式,他表示當化學變化發生時,由某一種(或數種)物質便成了另一種(或數種)物質,箭頭方向就代表變化方向。以上式為例,氫氣與氧氣燃燒後,兩種氣體均不見了但是產生一種新的物質,就是水蒸汽。

要寫出一個完整的化學方程式,應當遵守下面的規則:

  1. 化學方程式一定是依據實驗結果,並非憑空捏造。
  2. 化學方程式遵守道耳吞()的原子說,即反應前後原子種類、數目均不變,這項規則也叫『原子不滅』。

有了大致的瞭解,那要如何寫出化學方程式呢?小木偶想可以分兩個步驟:先寫出反應物及生成物,其次均衡化學方程式。

反應物及生成物

寫反應式時,第一步就是要知道反應物與生成物。反應物要寫在箭號左邊,生成物寫在右邊,如果不只一種反應物或不只一種生成物,就用加號相連。此外生成物常常和反應物與反應條件有關,也就是說當我們被告知反應物以及當時狀況,其實就要能寫出生成物是那些,但是誰也不是電腦,無法記得所有的化學反應,當然課本上所提到的算是重要的反應,應該要記得。當然化學這一科並非完全死記,先理解之後再記憶才是正途。底下有一些要領可幫助理解與記憶。

化學反應大致可分為四種類型:化合、分解、取代、複分解四種。當然也有較複雜的反應無法適當歸類,但這並不是太大的問題,小木偶的目的只是要幫助記憶而已。

化合

這是兩種物質結合成一種物質,金屬、非金屬在氧氣中燃燒就屬於此類。例如:

2H2+O2→2H2O

2Mg+O2→2MgO

分解

顧名思義,這是一種物質經由化學反應變成兩種物質的,例如:

2H2O2→O2+2H2O

或是電解融熔態的鹽類

2NaCl→2Na+Cl2

取代

這是化合物中的某一種元素,變成另外一種元素,像活性大的金屬酸反應,金屬取代酸中的氫氣。例如:

2HCl+Mg→MgCl2+H2

或是活性大的元素可取代活性小元素所形成的化合物:

2KBr+Cl2→2KCl+Br2

複分解

這是兩種化合物,互相交換另外一半,例如酸鹼中和與離子沈澱反應都是這樣的類型:

NaOH+HCl→NaCl+H2O

BaCl2+Na2CO3→2NaCl+BaCO3

在此階段要注意的是,寫出生成物時,生成物的元素必定和反應物的元素種類相同,並且生成物的化學式必定要遵守『基本化學式的寫法』中的規則。舉例來說,假設要您寫出鋁在空氣中氧化的化學方程式,第一步先寫出鋁和氧氣的化學式為 Al 和 O2,第二步用加號連接,然後用箭頭表示方向,像下面這樣:

Al+O2

接下來寫生成物,依據上面的敘述,應該是屬於『化合』這一種類型,所以應該依照前面化學式的規則寫出 Al2O3,為何要在 Al 右下寫 2,O 右下寫 3,這是因為這兩種離子所帶電荷的關係,並不是亂寫的,也不完全是死記的 (見『基本化學式的寫法』。所以上式變成:

Al+O2→Al2O3

當然這一個反應式還未完成,因為它並沒有遵守道耳吞的原子不滅,請繼續看平衡化學方程式。

平衡化學方程式

所謂『平衡化學方程式』(也叫『均衡化學方程式』)就是在化學式前面加上係數,使得能遵守『原子不滅』。要完成這一步驟,有四種方法:觀察法,代數法、氧化還原法、半反應法,其中以觀察法最為簡單,也是小木偶即將敘述的。

觀察法有幾個步驟:

  1. 先找到左右兩邊各出現一次的元素著手,使該原子之原子數相等。假如左右兩邊各出現一次的元素不只一種,那任意選一種即可。
  2. 以上一步驟所得的係數為依據,去平衡其他元素,上一步驟所得的係數不可更改,平衡好的係數也不可更改。
  3. 如此只要平衡好的係數就不可更改,依次平衡直到所有係數均求出為止。
  4. 最後一步,如果係數有分數,使其通分得到最簡單整數比;如果係數是一,可以省略不寫。

Al+O2→Al2O3

為例,Al 及 O 兩元素左右均出現一次,所以先平衡那一個都可以,假如先平衡 Al 好了,

2Al+O21Al2O3

再來,在上式白色部份的係數就不可更動的情形下,平衡 O,這時右邊有 3 個 O,因此可以計算出左邊 O2 的係數為 3/2,這樣才能使得左邊也有 3 個 O。

2Al+3/2O21Al2O3

最後通分,全部係數均乘以 2,變成

4Al+3O2→2Al2O3

就是最後的答案了。

寫上反應條件

有時可以在反應物與生成物右下角寫上反應物與生成物的狀態。固態用 (s) 表示,液態用 (l) 表示 (英文字母的L,不是阿拉伯數字的一),氣態用 (g) 表示,水溶液用 (aq) 表示。例如:

Mg(s)+2HCl(aq)→MgCl2(aq)+H2(g)

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)

有時可以在箭號上方或下方加上催化劑、反應時的溫度壓力。有時,有氣體產生時可以加上『↑』表示氣體向上散失,有沈澱時可以用『↓』表示向下沈澱。例如:

         MnO2
2H2O2(aq)──→2H2O(l)+O2(g)↑

2KI(aq)+Pb(NO3)2(aq)→2KNO3(aq)+PbI2(s)

注意事項

寫出一個化學方程式,並不是完全死記。有些是死記,有些是理解,係數部分是靠運算。您應該先把化學式熟練之後,才可能寫出完整的方程式,寫方程式時,應先寫出反應物及生成物,係數則是靠運算求得。

此外有機化合物完全燃燒時,有機化合物中的碳元素會生成二氧化碳,氫元素生成水。例如:

C2H5OH+O2→CO2+H2O

補充:代數法平衡化學方程式

這個方法,是先假設係數全部是未知數,然後依『原子不滅』來列出多元方程組,再解這些未知數。以

C2H5OH+O2→CO2+H2O

為例,先假設係數分別是 a、b、c、d:

aC2H5OH+bO2→cCO2+dH2O

然後依原子不滅列方程式:

碳元素: 2a=c  ........(1)
氫元素: 6a=2d ........(2)
氧元素: a+2b=2c+d ....(3)

解方程式時,只需要求出各未知係數的比例關係,所以可以用簡單的方法求出,就是假設任意未知數為一:

令 a=1 代入 (1) 得  c=2
       代入 (2) 得  d=3
將 a=1、c=2、d=3 代入 (3) 得 1+2b=2*2+3 解 b
                               b=3

所以求得方程式為

C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O

練習

答案在此網頁的某處,須特殊方法見得著。

計算係數
  1. HCl+CaCO3→CO2+H2O+CaCl2 2、1、1、1、1
  2. AgNO3+Cu→Cu(NO3)2+Ag 2、1、1、2
  3. C2H5OH+O2→CO2+H2O 1、3、2、3
  4. Mg+O2→MgO 2、1、2
以下寫出完整的化學方程式
  1. 鋁+氧→氧化鋁 4Al+3O2→2Al2O3
  2. 鋁+硫酸→硫酸鋁+氫氣 2Al+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2
  3. 氫氣+氮氣→氨氣 3H2+N2→2NH3