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逐步平衡化學方程式

化學方程式係一項守恆陳述:反應中,原子只係重新排列,既不會產生亦不會消失,而淨電荷保持不變。平衡就係揀選係數,令方程式準確咁表達呢一點。本指引提供一個可以處理普通化學中大部分方程式嘅檢視次序,示範點樣處理多原子離子同電荷,並以一個喺檢視停滯時使用嘅代數方法作結。

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係數可以改,下標唔可以改

每個化學式都固定咗一種物質嘅組成。H₂O 永遠有兩個氫原子同一個氧原子;將佢改成 H₂O₂ 描述嘅就係過氧化氫,一種唔同嘅化合物。因此平衡只可以用係數嚟做,即係化學式前面嘅數字,表示每種物質有幾多個式單位參與反應。

平衡方程式兩邊每種元素嘅原子數目相同。由於原子保持其質量,反應物嘅總質量就等於產物嘅總質量,呢個係一項有用嘅獨立檢查。當有離子出現時,左邊電荷之和亦必須等於右邊電荷之和。

係數以可以令方程式平衡嘅最細整數書寫。4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O 係平衡嘅,但並非最簡形式;除以 2 得出 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O。係數 1 唔會寫出。

避免兜圈嘅檢視次序

檢視法配合固定次序效果最好,因為平衡咗一種元素,可能會令你已經解決咗嘅另一種元素變得唔平衡。以下次序會將出現喺多個化學式嘅元素押後處理,尤其係游離元素例如 O₂ 或者金屬,因為改變游離元素嘅係數唔會擾亂其他任何嘢。

最後嘅統計最重要。列出每種元素喺兩邊嘅數目,將每個下標乘以係數,以及乘以括號外面嘅任何下標。呢個只需要一分鐘,卻能夠揪出幾乎所有失誤。

  • 為每種物質寫出正確嘅化學式,包括雙原子元素(H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂、Br₂、I₂),之後唔好再改動。
  • 俾最複雜嘅化學式一個試探性係數 1。
  • 平衡只喺一種反應物同一種產物中出現嘅元素。
  • 平衡以單一整體不變咁通過反應嘅多原子離子。
  • 跟住平衡氫同氧,最後平衡游離元素。
  • 將每個係數乘以分母以消除分數,然後約簡到最細整數。
  • 統計兩邊每種元素,以及總電荷。

實例:2-丙醇嘅燃燒

2-丙醇(異丙醇)C₃H₈O 喺氧氣中燃燒,生成二氧化碳同水:C₃H₈O + O₂ → CO₂ + H₂O。俾 C₃H₈O 係數 1。碳出現喺一種反應物同一種產物中,所以 3 個 C 需要 3 個 CO₂。氫亦一樣:8 個 H 需要 4 個 H₂O。

氧放最後,因為 O₂ 係游離元素。右邊而家有 3 × 2 + 4 × 1 = 10 個 O 原子。燃料本身已經提供 1 個 O,所以 O₂ 必須提供 9 個原子,係數為 9/2。全部乘以 2,得出 2 C₃H₈O + 9 O₂ → 6 CO₂ + 8 H₂O。

統計:C 6 = 6;H 16 = 16;O 左邊 2 + 18 = 20,右邊 12 + 8 = 20。使用修約至兩個小數位嘅 IUPAC 標準原子量(C 12.01、H 1.01、O 16.00)進行質量檢查,所示摩爾量嘅結果吻合:2(60.11 g) + 9(32.00 g) = 408.22 g 反應物,以及 6(44.01 g) + 8(18.02 g) = 408.22 g 產物。

一個常見失誤,係忘記燃料入面嘅氧原子,每個 C₃H₈O 就寫 5 個 O₂。統計會即時揭穿:左邊 11 個 O 原子,右邊 10 個。

將多原子離子視為單一整體

當硫酸根、硝酸根或者磷酸根等多原子離子喺兩邊都保持不變時,將佢當作一個整體計算,而唔係逐個原子分開計。咁樣可以簡化記帳,亦避免最常見嘅計數錯誤,即係忘記括號外面嘅下標會乘以括號入面所有嘢:Ca(NO₃)₂ 含有 2 個 N 同 6 個 O。

實例:氫氧化鋇同磷酸反應,生成磷酸鋇同水,Ba(OH)₂ + H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + H₂O。由 Ba₃(PO₄)₂ 開始。佢含有 3 個 Ba,所以用 3 個 Ba(OH)₂,以及 2 個磷酸根單位,所以用 2 個 H₃PO₄。

對於水,將佢視為 H–OH:每個分子由酸嘅一個 H 同鹼嘅一個 OH 形成。左邊而家有 3 × 2 = 6 個 OH 基團同 2 × 3 = 6 個酸性 H 原子,所以形成 6 個 H₂O:3 Ba(OH)₂ + 2 H₃PO₄ → Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O。統計:Ba 3 = 3;P 2 = 2;H 6 + 6 = 12,而 6 × 2 = 12;O 6 + 8 = 14,而 8 + 6 = 14。

只有當離子完整保留時才使用整體方法。例如,如果硝酸根喺氧化還原反應中轉化成 NO,氮同氧就必須分開計算。

平衡離子方程式中嘅電荷

離子方程式可以原子平衡但仍然係錯嘅。試考慮將鋁金屬放入銅(II)離子溶液:Al(s) + Cu²⁺(aq) → Al³⁺(aq) + Cu(s)。兩邊各有一個 Al 同一個 Cu,但左邊電荷係 2+,右邊係 3+。

每個 Al 原子失去 3 個電子,每個 Cu²⁺ 離子獲得 2 個。最小公倍數係 6,所以 2 個 Al 同 3 個 Cu²⁺ 反應:2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) → 2 Al³⁺(aq) + 3 Cu(s)。電荷:左邊 3(2+) = 6+,右邊 2(3+) = 6+;原子 Al 2 = 2,Cu 3 = 3。

電子唔會出現喺總方程式入面,所以電荷唔吻合永遠表示方程式仲未平衡:某個係數錯咗,或者欠缺咗 H⁺、OH⁻ 或 H₂O 等物種。對於更複雜嘅氧化還原方程式,特別係喺酸性或者鹼性溶液中,半反應法比檢視法更可靠。

應付難搞方程式嘅代數方法

有啲方程式(通常係某種元素最終出現喺多種產物中嘅氧化還原反應)難以用檢視法解決。為每個係數指定一個字母,為每種元素寫一條方程式,將其中一個字母設為 1,然後求解。以高錳酸鉀同鹽酸為例:a KMnO₄ + b HCl → c KCl + d MnCl₂ + e Cl₂ + f H₂O。

鉀得出 a = c;錳得出 a = d;氧得出 4a = f;氫得出 b = 2f;氯得出 b = c + 2d + 2e。設 a = 1,得出 c = 1、d = 1、f = 4 同 b = 8,然後 8 = 1 + 2 + 2e,所以 e = 5/2。乘以 2:2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 8 H₂O。統計:兩邊各有 K 2、Mn 2、O 8、H 16 同 Cl 16。

如果你將一個字母設為 1 之後,元素方程式仍然留低一個未確定嘅係數,就表示方程式有多於一個獨立嘅平衡形式。咁通常意味住佢結合咗兩個獨立嘅反應,而要選出正確嗰個,就需要額外嘅化學資訊,例如每個半反應中邊種物種被氧化、邊種被還原。

平衡錯誤同能夠揪出佢哋嘅統計

以下每個錯誤都可以由同一個最後統計揪出,先逐種元素,再核對電荷。將統計作為每條方程式固定嘅最後一行,而唔係可有可無嘅額外步驟。

如果統計不斷喺同一種元素上失敗,就返回檢視次序,檢查該元素是否太早平衡。

  • 為咗強行平衡而改動下標,例如將水寫成 H₂O₂。將每個化學式同你一開始嘅未平衡方程式比較。
  • 將雙原子元素寫成單個原子,例如寫 O 而唔係 O₂。
  • 忘記乘通括號,令 Ba₃(PO₄)₂ 被當作只有 4 個 O 而唔係 8 個。
  • 喺最終答案中留低分數,或者帶有公因數嘅係數。
  • 喺有離子嘅方程式中,平衡咗原子但冇平衡電荷。
  • 先平衡游離元素,之後每次其他改動都要重做。

限制同適當使用

  • 平衡方程式給出物質反應嘅比例;但佢唔顯示反應是否發生、有幾快,或者經過乜機理。
  • 平衡無法偵測不正確嘅化學式;錯誤嘅產物仍然可以被平衡,所以必須另外檢查化學式。
  • 部分實例省略咗 (s)、(aq) 同 (g) 等狀態標示;撰寫完整離子方程式同淨離子方程式亦需要此處未涵蓋嘅溶解度指引。
  • 複雜嘅氧化還原方程式用半反應法處理更好,本指引有提及但冇教授。