化學(xué)方程式
化學(xué)方程式(chemical equation),別名化學(xué)反應方程式,是用化學(xué)式來(lái)描述各種物質(zhì)之間的不同化學(xué)反應的式子。化學(xué)方程式適用于有機化學(xué)、無(wú)機化學(xué)等領(lǐng)域,是一種重要的化學(xué)用語(yǔ),通常以符號的形式科學(xué)、簡(jiǎn)明的表達物質(zhì)間的變化規律,是聯(lián)結宏觀(guān)與微觀(guān)的橋梁。化學(xué)方程式符合質(zhì)量守恒定律,由反應物類(lèi)型可以分為有機化學(xué)反應和無(wú)機化學(xué)反應等;由反應物氧化數的變化可以分為置換反應、化合反應、氧化還原反應等。化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)必須以實(shí)驗事實(shí)為依據,任何反應方程式都包括反應物和生成物,反應過(guò)程原子保持不變。 概念定義及其意義
概念
化學(xué)方程式是描述各種物質(zhì)之間不同化學(xué)反應的式子,由元素符號以及分子式組成,對于學(xué)習和研究化學(xué)有重要意義。
例如,實(shí)驗室通常由金屬鋅與稀酸(稀鹽酸、稀硫酸)反應的方式制取氫氣,該反應用化學(xué)方程式表達如下: 在工業(yè)上,制造硝酸通常采用氨氧化法,該反應通過(guò)化學(xué)方程式表達如下:
由此可見(jiàn),通過(guò)化學(xué)方程式,我們可以清晰直觀(guān)的表達出物質(zhì)之間的變化以及生成物的狀態(tài)。
意義
化學(xué)方程式最直觀(guān)的意義就是它代表了一種化學(xué)反應,通過(guò)化學(xué)方程式,我們可以清晰的看出參與反應的反應物和生成物以及反應所屬的類(lèi)型。例如從金屬鋅與稀硫酸的反應方程式可以看出,該反應屬于置換反應,反應生成了硫酸鋅,同時(shí)放出氫氣。
通過(guò)化學(xué)方程式可以直觀(guān)的看出參與反應的各種物質(zhì)微粒的數目(或摩爾數)之比。從金屬鋅與稀硫酸的反應可以看出,該反應表示1個(gè)鋅原子與1個(gè)硫酸分子反應,生成了一個(gè)硫酸鋅分子和一個(gè)氫氣分子。從反應摩爾數的角度來(lái)看,即1摩爾鋅原子與1摩爾硫酸反應后,生成1摩爾硫酸鋅與1摩爾氫氣。 通過(guò)化學(xué)方程式還可以表示出參與反應的各物質(zhì)之間的質(zhì)量比。例如:
反應方程式中,醋酸、乙醇、乙酸乙酯、水的摩爾質(zhì)量分別為60、46、88、18,即60份質(zhì)量數的醋酸與46份質(zhì)量數的乙醇反應可以生成88份質(zhì)量數的乙酸乙酯和18份質(zhì)量數的水。 由氣體參與反應的方程式,可以看出參與反應的氣體的體積比。例如
在標準狀態(tài)下,1體積的氮氣與3體積的氫氣反應可以得到2體積的氨氣或者22.4升的氮氣與67.2升的氫氣反應可以得到44.8升的氨氣。 化學(xué)反應方程式還可以表示出反應過(guò)程中的能量變化,例如:
該反應表示2摩爾的二氧化硫和1摩爾的氧氣反應生成2摩爾的三氧化硫同時(shí)放出47千卡的能量。
理論依據
化學(xué)反應的本質(zhì)是參與反應的各物質(zhì)的原子重新組合成其它物質(zhì)的過(guò)程,原子的種類(lèi)和數量都沒(méi)有變化,因此化學(xué)反應方程式符合質(zhì)量守恒定律。
理論驗證
白磷燃燒試驗[3]
在錐形瓶底部鋪滿(mǎn)細沙,放入小粒的白磷,之后用安裝了玻璃棒的橡膠塞塞住瓶口并使玻璃棒可以接觸到白磷,將該裝置放在托盤(pán)天平上用砝碼平衡。 取下錐形瓶塞,將玻璃棒在酒精燈上燒至紅熱,之后塞住錐形瓶口,用玻璃棒引燃白磷,待燃燒結束且錐形瓶冷卻后,將該裝置重新放在托盤(pán)天平上,觀(guān)察天平是否平衡。
氫氧化鈉與硫酸銅反應試驗
將裝有氫氧化鈉溶液的試管放入裝有硫酸銅溶液的燒杯中,之后將燒杯放在托盤(pán)天平上用砝碼平衡。 將燒杯取下后,使氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液混合生成藍色氫氧化銅沉淀,再次將燒杯放在托盤(pán)天平上,判斷天平是否平衡。
發(fā)現歷史
化學(xué)反應所遵循的質(zhì)量守恒定律是拉瓦錫通過(guò)天平對化學(xué)反應進(jìn)行定量研究而被大家所認知的,化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)最初采用的也是繪畫(huà)的方式。1789年,拉瓦錫采用“葡萄糖=碳酸+酒精”的方式表達化學(xué)方程式,到了羥世紀,道爾頓確立了原子論,科學(xué)家們開(kāi)始通過(guò)元素符號來(lái)表達化學(xué)方程式,由于當時(shí)人們不了解分子這一概念,因此化學(xué)方程式的表達存在一定的錯誤。[2] 反應類(lèi)型
從反應物中原子氧化數是否改變分類(lèi)
發(fā)生在自然界、工業(yè)、農業(yè)和生物等過(guò)程中的一切化學(xué)反應可以分為兩個(gè)類(lèi)型:反應物中原子的氧化數沒(méi)有發(fā)生改變的反應以及反應物中原子的氧化數沒(méi)有改變的反應。
反應物中原子的氧化數沒(méi)有發(fā)生改變的反應
反應物中原子的氧化數沒(méi)有發(fā)生變化的反應有互換反應,某些化合反應和分解反應等。
互換反應
化合反應
分解反應
反應物中原子的氧化數發(fā)生改變的反應
反應物中原子的氧化數發(fā)生變化的反應有氧化還原反應,如置換反應,某些化學(xué)反應以及分解反應。
置換反應
化合反應
分解反應
書(shū)寫(xiě)方法
化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)必須以實(shí)驗事實(shí)為依據,清晰的反應出反應的參與物質(zhì)以及生成物質(zhì),標明反應發(fā)生的條件、生成物的狀態(tài)等。
反應方程式的書(shū)寫(xiě)要遵循質(zhì)量守恒定律,即反應過(guò)程中要保持原子的種類(lèi)和數量不變,有離子參與的反應還必須保持反應式兩端的電荷數不變。
化學(xué)反應方程式中,反應物與生成物之間通常與“=”或“→”相連,表示反應的進(jìn)行方向是由左向右,且不可逆。當化學(xué)反應可逆時(shí),即反應既可以向右進(jìn)行也可以向左進(jìn)行,則此時(shí)反應物與生成物之間用“?”相連。
化學(xué)反應方程式中要標明反應物和生成物的狀態(tài),固態(tài)通常用“s”表示;液態(tài)用“l(fā)”表示;氣態(tài)用“g”表示;水溶液用“aq”表示。
化學(xué)反應式中的符號
中間符號
化學(xué)反應方程式反應物與參與物中間的符號有多種表達方式如下所示:
未配平的方程式中間用“——”相連;
配平的方程式中間用“=”相連;
由于由有機物參與的化學(xué)反應情況較為復雜,因此反應方程式中間通常用“→”相連;[16]
可逆的化學(xué)反應中間用
“?”相連。
氣體符號
反應方程式中氣體常用“↑”表示。化學(xué)反應中,如果反應物中有氣體參與,則生成物即使有氣體也不用加“↑”;如果反應物中沒(méi)有氣體參與,則生成物中的氣體則用“↑”表示。例如,金屬鎂與稀硫酸反應生成氫氣,由于反應物中沒(méi)有氣體,因此生產(chǎn)的氫氣需要加氣體符號;甲烷和氧氣反應生成二氧化碳和水,因為反應物中有氣體,因此生成物中的二氧化碳不需要加氣體符號。
沉淀符號
反應方程式中的沉淀常用“↓”表示。化學(xué)反應中,如果整個(gè)反應無(wú)液體存在,則生成物即使為難容物也不用“↓”表示;如果有難溶性物質(zhì)從液體中析出,則沉淀需要用“↓”表示。例如,稀鹽酸與硝酸銀反應生成氯化銀沉淀,由于反應物中沒(méi)有難溶性物質(zhì),因此氯化銀需要加沉淀符號; 化學(xué)反應發(fā)生的條件
反應條件的書(shū)寫(xiě)
大部分化學(xué)反應需要在一定的條件下才可以發(fā)生,例如加熱(可用?表示)、點(diǎn)燃、催化劑等。在書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式時(shí),這些反應條件通常寫(xiě)在等號的上方。
當反應條件催化劑、溫度、壓力等同時(shí)存在時(shí),一般把催化劑寫(xiě)在等號上方,溫度、壓力等寫(xiě)在等號下方。例如:
反應濃、稀溶液的書(shū)寫(xiě)
當反應物為稀、濃溶液時(shí),直接在該分子的后邊用濃、稀字樣表示,例如:
反應吸熱、放熱的書(shū)寫(xiě)
當反應方程式中有吸熱或放熱時(shí),通常用“-Q”或“+Q”表示,例如:
常見(jiàn)書(shū)寫(xiě)錯誤類(lèi)型
記錯物質(zhì)的化學(xué)式,例如將次氯酸鈣Ca(ClO)?錯寫(xiě)成CaClO;
在書(shū)寫(xiě)反應方程式時(shí),常常忘記或寫(xiě)錯反應發(fā)生的條件;
錯寫(xiě)反應方程式的配平系數;
在根據實(shí)際反應書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式時(shí),無(wú)法準確把握反應的參與物與生成物;
書(shū)寫(xiě)離子參與的反應方程式時(shí),無(wú)法準確把握離子的拆分問(wèn)題。
配平
觀(guān)察法
觀(guān)察法可以用于一些簡(jiǎn)單的化學(xué)反應方程式的配平,是配平化學(xué)方程式最基本的方法。用觀(guān)察法配平方程式時(shí),可以先從生成物中化學(xué)式較為復雜的物質(zhì)入手,優(yōu)先配平與該物質(zhì)相關(guān)的化合物,之后進(jìn)一步確認其它物質(zhì)化學(xué)式的系數,最后將方程式配平。例如,三氧化二鐵與氧氣的反應:
生成物中二氧化碳CO?分子較為復雜,可以從二氧化碳開(kāi)始配平,接著(zhù)配平鐵原子。
最小公倍數法
最小公倍數法是一種簡(jiǎn)單、常用的化學(xué)式配平方法。以磷和氧氣反應的式子為例:
從該式子可以看出,左邊氧原子數為2,右邊氧原子數為5,兩者的最小公倍數為10,因此在氧氣面前配上系數5,無(wú)氧化二磷面前配上系數2。配平之后的式子如下: 原子守恒法
由于在化學(xué)反應前后,反應中的原子數都不會(huì )發(fā)生變化,因此可以用原子守恒法來(lái)配平化學(xué)方程式。原子守恒法配平化學(xué)方程式通常先設反應物(或生成物)中所含元素種類(lèi)最多的化合物系數為x,之后利用原子守恒計算其它物質(zhì)的系數。當設有一個(gè)未知數不能計算出所有物質(zhì)的系數時(shí) ,可以按照以上原則設定另外一個(gè)未知數y,原則上,利用原子守恒法進(jìn)行方程式的配平時(shí),未知數最多不超過(guò)兩個(gè)。
乘積法
乘積法配平化學(xué)方程式對于大多數無(wú)機化學(xué)反應都適用,通常是把生成物(或反應物)分子中各個(gè)元素的原子數相乘,所得的積放在反應物(或生成物)中最復雜分子的前面,之后利用質(zhì)量守恒定律配平。
生成物鐵和三氧化二鋁中各元素原子的乘積為1X2X3=6,將6放在四氧化三鐵的前面,之后按照質(zhì)量守恒定律進(jìn)行配平。
綜合法
以下述方程式為例,綜合法配平化學(xué)方程式的步驟如下:
找出含原子數最多的化學(xué)式中可以利用最小公倍數配平的元素(若沒(méi)有則在次復雜的化學(xué)式中尋找),運用最小公倍數法對該元素進(jìn)行配平,即:
找出已經(jīng)確定系數的化學(xué)式中可以用最小公倍數法配平的元素進(jìn)行配平,即可以確定二氧化碳的系數為1:
其它沒(méi)有確定系數的化學(xué)式中如果找不到可以用最小公倍數法配平的元素,則設其中一個(gè)系數為x,并用最小公倍數法配平,假設該事例中設水的系數為x:
其它元素原子可以建立方程式進(jìn)行配平,結果如下:
含有中圓點(diǎn)化學(xué)式的配平
某些物質(zhì)的化學(xué)式含有小圓點(diǎn),例如生石膏(CaSO??2 H?O)、熟石膏(CaSO??1/2 H?O)。在配平這類(lèi)含有中圓點(diǎn)的物質(zhì)的化學(xué)式時(shí),可充分了解物質(zhì)的宏觀(guān)和微觀(guān)含義,才能避免錯誤的發(fā)生。 應用化學(xué)方程式進(jìn)行的計算
對于已經(jīng)配平的反應方程式來(lái)說(shuō),它反應了各物質(zhì)之間的發(fā)生化學(xué)反應的量的關(guān)系,因此,可以根據化學(xué)方程式進(jìn)行各種計算。例如,氫氣與氧氣生成水的反應:
由于反應方程式直觀(guān)的反映出了各物質(zhì)之間的量的比值,因此當我們知道其中一種物質(zhì)的量時(shí),則可以求出其它幾種物質(zhì)的量。