化學方程式
化學方程式(chemical equation),別名化學反應方程式,是用化學式來描述各種物質(zhì)之間的不同化學反應的式子?;瘜W方程式適用于有機化學、無機化學等領(lǐng)域,是一種重要的化學用語,通常以符號的形式科學、簡明的表達物質(zhì)間的變化規(guī)律,是聯(lián)結(jié)宏觀與微觀的橋梁?;瘜W方程式符合質(zhì)量守恒定律,由反應物類型可以分為有機化學反應和無機化學反應等;由反應物氧化數(shù)的變化可以分為置換反應、化合反應、氧化還原反應等?;瘜W方程式的書寫必須以實驗事實為依據(jù),任何反應方程式都包括反應物和生成物,反應過程原子保持不變。 概念定義及其意義
概念
化學方程式是描述各種物質(zhì)之間不同化學反應的式子,由元素符號以及分子式組成,對于學習和研究化學有重要意義。
例如,實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,該反應通過化學方程式表達如下:
由此可見,通過化學方程式,我們可以清晰直觀的表達出物質(zhì)之間的變化以及生成物的狀態(tài)。
意義
化學方程式最直觀的意義就是它代表了一種化學反應,通過化學方程式,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,同時放出氫氣。
通過化學方程式可以直觀的看出參與反應的各種物質(zhì)微粒的數(shù)目(或摩爾數(shù))之比。從金屬鋅與稀硫酸的反應可以看出,該反應表示1個鋅原子與1個硫酸分子反應,生成了一個硫酸鋅分子和一個氫氣分子。從反應摩爾數(shù)的角度來看,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。 通過化學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(shù)的醋酸與46份質(zhì)量數(shù)的乙醇反應可以生成88份質(zhì)量數(shù)的乙酸乙酯和18份質(zhì)量數(shù)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。 化學反應方程式還可以表示出反應過程中的能量變化,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放出47千卡的能量。
理論依據(jù)
化學反應的本質(zhì)是參與反應的各物質(zhì)的原子重新組合成其它物質(zhì)的過程,原子的種類和數(shù)量都沒有變化,因此化學反應方程式符合質(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(jié)束且錐形瓶冷卻后,將該裝置重新放在托盤天平上,觀察天平是否平衡。
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天平上,判斷天平是否平衡。
發(fā)現(xiàn)歷史
化學反應所遵循的質(zhì)量守恒定律是拉瓦錫通過天平對化學反應進行定量研究而被大家所認知的,化學方程式的書寫最初采用的也是繪畫的方式。1789年,拉瓦錫采用“葡萄糖=碳酸+酒精”的方式表達化學方程式,到了羥世紀,道爾頓確立了原子論,科學家們開始通過元素符號來表達化學方程式,由于當時人們不了解分子這一概念,因此化學方程式的表達存在一定的錯誤。[2] 反應類型
從反應物中原子氧化數(shù)是否改變分類
發(fā)生在自然界、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物等過程中的一切化學反應可以分為兩個類型:反應物中原子的氧化數(shù)沒有發(fā)生改變的反應以及反應物中原子的氧化數(shù)沒有改變的反應。
反應物中原子的氧化數(shù)沒有發(fā)生改變的反應
反應物中原子的氧化數(shù)沒有發(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(shù)發(fā)生改變的反應
反應物中原子的氧化數(shù)發(fā)生變化的反應有氧化還原反應,如置換反應,某些化學反應以及分解反應。
置換反應
化合反應
分解反應
書寫方法
化學方程式的書寫必須以實驗事實為依據(jù),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。
反應方程式的書寫要遵循質(zhì)量守恒定律,即反應過程中要保持原子的種類和數(shù)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(shù)不變。
化學反應方程式中,反應物與生成物之間通常與“=”或“→”相連,表示反應的進行方向是由左向右,且不可逆。當化學反應可逆時,即反應既可以向右進行也可以向左進行,則此時反應物與生成物之間用“?”相連。
化學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。
化學反應式中的符號
中間符號
化學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]
可逆的化學反應中間用
“?”相連。
氣體符號
反應方程式中氣體常用“↑”表示?;瘜W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?;瘜W反應中,如果整個反應無液體存在,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,由于反應物中沒有難溶性物質(zhì),因此氯化銀需要加沉淀符號; 化學反應發(fā)生的條件
反應條件的書寫
大部分化學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)、點燃、催化劑等。在書寫化學方程式時,這些反應條件通常寫在等號的上方。
當反應條件催化劑、溫度、壓力等同時存在時,一般把催化劑寫在等號上方,溫度、壓力等寫在等號下方。例如:
反應濃、稀溶液的書寫
當反應物為稀、濃溶液時,直接在該分子的后邊用濃、稀字樣表示,例如:
反應吸熱、放熱的書寫
當反應方程式中有吸熱或放熱時,通常用“-Q”或“+Q”表示,例如:
常見書寫錯誤類型
記錯物質(zhì)的化學式,例如將次氯酸鈣Ca(ClO)?錯寫成CaClO;
在書寫反應方程式時,常常忘記或?qū)戝e反應發(fā)生的條件;
錯寫反應方程式的配平系數(shù);
在根據(jù)實際反應書寫化學方程式時,無法準確把握反應的參與物與生成物;
書寫離子參與的反應方程式時,無法準確把握離子的拆分問題。
配平
觀察法
觀察法可以用于一些簡單的化學反應方程式的配平,是配平化學方程式最基本的方法。用觀察法配平方程式時,可以先從生成物中化學式較為復雜的物質(zhì)入手,優(yōu)先配平與該物質(zhì)相關(guān)的化合物,之后進一步確認其它物質(zhì)化學式的系數(shù),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,可以從二氧化碳開始配平,接著配平鐵原子。
最小公倍數(shù)法
最小公倍數(shù)法是一種簡單、常用的化學式配平方法。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(shù)為2,右邊氧原子數(shù)為5,兩者的最小公倍數(shù)為10,因此在氧氣面前配上系數(shù)5,無氧化二磷面前配上系數(shù)2。配平之后的式子如下: 原子守恒法
由于在化學反應前后,反應中的原子數(shù)都不會發(fā)生變化,因此可以用原子守恒法來配平化學方程式。原子守恒法配平化學方程式通常先設反應物(或生成物)中所含元素種類最多的化合物系數(shù)為x,之后利用原子守恒計算其它物質(zhì)的系數(shù)。當設有一個未知數(shù)不能計算出所有物質(zhì)的系數(shù)時 ,可以按照以上原則設定另外一個未知數(shù)y,原則上,利用原子守恒法進行方程式的配平時,未知數(shù)最多不超過兩個。
乘積法
乘積法配平化學方程式對于大多數(shù)無機化學反應都適用,通常是把生成物(或反應物)分子中各個元素的原子數(shù)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)量守恒定律進行配平。
綜合法
以下述方程式為例,綜合法配平化學方程式的步驟如下:
找出含原子數(shù)最多的化學式中可以利用最小公倍數(shù)配平的元素(若沒有則在次復雜的化學式中尋找),運用最小公倍數(shù)法對該元素進行配平,即:
找出已經(jīng)確定系數(shù)的化學式中可以用最小公倍數(shù)法配平的元素進行配平,即可以確定二氧化碳的系數(shù)為1:
其它沒有確定系數(shù)的化學式中如果找不到可以用最小公倍數(shù)法配平的元素,則設其中一個系數(shù)為x,并用最小公倍數(shù)法配平,假設該事例中設水的系數(shù)為x:
其它元素原子可以建立方程式進行配平,結(jié)果如下:
含有中圓點化學式的配平
某些物質(zhì)的化學式含有小圓點,例如生石膏(CaSO??2 H?O)、熟石膏(CaSO??1/2 H?O)。在配平這類含有中圓點的物質(zhì)的化學式時,可充分了解物質(zhì)的宏觀和微觀含義,才能避免錯誤的發(fā)生。 應用化學方程式進行的計算
對于已經(jīng)配平的反應方程式來說,它反應了各物質(zhì)之間的發(fā)生化學反應的量的關(guān)系,因此,可以根據(jù)化學方程式進行各種計算。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,則可以求出其它幾種物質(zhì)的量。