燃烧反应:HSC 化学中的产物与方程式

学习如何辨认燃烧反应、预测产物,并配平完全燃烧与不完全燃烧的化学方程式。包括例题解析及原创 HSC 类型题目与解答。

两个本生灯可以使用相同的燃料,却产生截然不同的火焰。空气流通良好时,火焰呈蓝色而且燃烧干净。限制氧气供应后,火焰可能变成黄色、产生煤烟,并形成有毒的一氧化碳。

继续阅读之前,先预测一下在化学上发生了甚么变化。燃料相同,那么为甚么产物会不同?

关键在于氧气供应。燃烧不只是知道燃料会与氧气反应。你还需要判断是否有足够的氧气,使燃料中的碳完全氧化。

01第一个判断:这是燃烧反应吗?

在 HSC 课程中,当一种物质与氧气 \(\ce{O2}\) 反应并释放能量时,就应辨认为燃烧反应。

对于含碳燃料,反应物通常可写成:

\[
\ce{燃料 + O2 -> 产物}
\]

碳氢化合物只含碳和氢。甲烷 \(\ce{CH4}\)、丙烷 \(\ce{C3H8}\) 和辛烷 \(\ce{C8H18}\) 都是例子。

乙醇 \(\ce{C2H5OH}\) 等醇类也会燃烧。它们本身已含有氧,但仍需要周围环境提供 \(\ce{O2}\)。

燃烧并不等同于方程式中某处出现氧。氧分子 \(\ce{O2}\) 必须是燃烧过程中的反应物。

如果你仍在建立对原子守恒及配平方程式的信心,可以复习反应中原子的重新排列。这里每个方程式都遵循同一条规则:原子可以重新排列,但不能凭空出现或消失。

02把氧气视为受限制的资源

想像每个碳原子都试图在反应结束时,以 \(\ce{CO2}\) 的形式与两个氧原子结合。氢通常会与氧结合,以水 \(\ce{H2O}\) 的形式离开反应。

如果有足够的氧气,碳就可以完全氧化成二氧化碳。

如果氧气不足,部分碳可能以一氧化碳 \(\ce{CO}\) 的形式存在,甚至形成固态碳 \(\ce{C}\),也就是煤烟。

这有点像在一辆座位很少的巴士上分配座位。在理想情况下,每个碳都能获得完整的氧气「配额」。如果载氧的巴士已经坐满,有些碳就只能带着较少的氧同行。

这个比喻到此为止。原子不会自行选择伙伴,而真正的火焰中也存在许多寿命很短的中间物种。这个比喻真正有用的重点只是:可用氧气的量会影响最终产物。

完全燃烧与不完全燃烧的并列比较。氧气充足时会产生二氧化碳和水,而氧气有限时可产生一氧化碳和/或固态碳,以及水。
氧气充足时可进行完全燃烧,生成 CO₂ 和 H₂O;氧气有限时则会发生不完全燃烧,生成 CO 和/或 C,以及 H₂O。

03完全燃烧

对于碳氢化合物,完全燃烧会产生:

  • 二氧化碳 \(\ce{CO2}\)
  • 水 \(\ce{H2O}\)

因此,其模式为:

\[
\ce{碳氢化合物 + O2 -> CO2 + H2O}
\]

「完全」是指碳被完全氧化成二氧化碳。这不表示你可以跳过配平方程式。

一个可靠的配平顺序是:

  1. 先配平碳
  2. 再配平氢
  3. 最后配平氧

氧最后才处理,是因为它同时出现在二氧化碳和水中。

例题:乙烷的完全燃烧

写出乙烷 \(\ce{C2H6}\) 完全燃烧的配平方程式。

步骤 1

完全燃烧会产生二氧化碳和水。

\[
\ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O}
\]

步骤 2

\(\ce{C2H6}\) 中有 2 个碳原子,因此在 \(\ce{CO2}\) 前加上系数 2。

\[
\ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O}
\]

步骤 3

乙烷中有 6 个氢原子。每个水分子含有 2 个氢原子,因此需要 3 个水分子。

\[
\ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O}
\]

步骤 4

现在产物中含有:

  • \(\,2 \times 2 = 4\,\) 个氧原子,来自 \(\ce{2CO2}\)
  • \(\,3 \times 1 = 3\,\) 个氧原子,来自 \(\ce{3H2O}\)

合共有 7 个氧原子。

由于每个 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 个氧原子,所以最初需要 \(\frac{7}{2}\ce{O2}\):

\[
\ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O}
\]

步骤 5

把每个系数都乘以 2。

\[
\boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}
\]

这个方程式表示,2 mol 乙烷完全燃烧需要 7 mol 氧气。

04为甚么配平燃烧反应时绝不能更改下标

假设你在产物一侧需要更多氧。你不能把 \(\ce{CO2}\) 改成 \(\ce{CO3}\)。

这不是配平。你已经把二氧化碳改成另一个化学式。

只能改变系数,也就是写在化学式前面的数字。

例如:

\[
\ce{2CO2}
\]

表示两个二氧化碳分子,或 2 mol 二氧化碳。

相比之下,

\[
\ce{CO3}
\]

表示的是完全不同的原子比例。

这是最常见的配平错误之一,因为更改下标可能让原子数看起来正确,却令化学本身变得错误。

05不完全燃烧

现在回到黄色、冒烟的火焰。

如果没有足够的氧气让所有碳都变成 \(\ce{CO2}\),燃烧就是不完全的。

在 HSC 程度所使用的简化反应中,重要的含碳产物包括:

氧气条件可能的含碳产物另一主要产物
氧气充足\(\ce{CO2}\)\(\ce{H2O}\)
氧气有限\(\ce{CO}\)\(\ce{H2O}\)
氧气极度受限以煤烟形式存在的 \(\ce{C}\)\(\ce{H2O}\)

真正的火焰可能含有 \(\ce{CO2}\)、\(\ce{CO}\)、煤烟、未燃烧燃料以及其他物种的混合物。考试中的方程式通常会提供足够资讯,让你采用一组简化的产物。

因此得到一条重要规则:

单单说「不完全燃烧」,并不一定能确定唯一一条方程式。

如果题目指出会形成一氧化碳,就使用 \(\ce{CO}\)。如果题目指出会形成煤烟或碳,就使用 \(\ce{C}\)。如果证据显示存在混合物,你可能需要考虑多于一种含碳产物。

例题:乙醇不完全燃烧生成一氧化碳

乙醇 \(\ce{C2H5OH}\) 在氧气供应受限的情况下燃烧。假设一氧化碳和水是唯一产物。写出配平方程式。

步骤 1

\[
\ce{C2H5OH + O2 -> CO + H2O}
\]

步骤 2

乙醇含有 2 个碳原子,因此形成 2 个一氧化碳分子。

\[
\ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + H2O}
\]

步骤 3

\(\ce{C2H5OH}\) 一共含有 6 个氢原子。因此需要 3 个水分子。

\[
\ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + 3H2O}
\]

步骤 4

产物含有:

  • \(\ce{2CO}\) 中的 2 个氧原子
  • \(\ce{3H2O}\) 中的 3 个氧原子

右边共有 \(5\) 个氧原子。

但乙醇本身已经含有 1 个氧原子。这表示只需由 \(\ce{O2}\) 再提供 4 个氧原子。

两个 \(\ce{O2}\) 分子可提供这 4 个原子。

\[
\boxed{\ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O}}
\]

重要细节是乙醇本身已含有氧。若把乙醇当作碳氢化合物,忘记这个氧原子,就会得到错误的系数。

06如果形成固态碳呢?

假设甲烷在氧气供应严重受限的情况下燃烧,而简化后的产物是碳和水。

先写:

\[
\ce{CH4 + O2 -> C + H2O}
\]

碳已经配平。

4 个氢原子需要 2 个水分子:

\[
\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}
\]

这 2 个水分子含有 2 个氧原子,因此需要一个 \(\ce{O2}\):

\[
\boxed{\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}}
\]

在这个简化模型中,固态碳代表煤烟。

注意,这个反应所需的氧气远少于完全燃烧:

\[
\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}
\]

这个比较正是不完全燃烧的核心概念。可用的氧气较少,因此碳最终以氧化程度较低的形式存在。

07处理燃烧题的快速判断流程

看到燃烧方程式时,不要立刻开始配平。

首先要判断哪些产物在化学上是合理的。

题目告诉你的资讯你应该怎样做
碳氢化合物完全燃烧写出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\)
醇完全燃烧写出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\),配平时再计入醇本身已含有的氧
不完全燃烧并产生一氧化碳写出 \(\ce{CO}\) 和 \(\ce{H2O}\)
不完全燃烧并产生煤烟写出 \(\ce{C}\) 和 \(\ce{H2O}\)
只说「不完全燃烧」检查题目是否提供了关于 \(\ce{CO}\)、煤烟或混合物的证据
已提供产物不要把它们换成你原先预期的产物。应配平题目实际给出的方程式

确定产物后,先配平碳,再配平氢,最后配平氧。

这个顺序是一种方法,而不是自然定律。它只是较有效率,因为氧往往会出现在多种产物中。

08一个有用的碳氢化合物捷径

对于化学式为 \(\ce{C_xH_y}\) 的碳氢化合物,其完全燃烧可以表示为:

\[
\ce{C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O}
\]

其中:

  • \(x\) 是一个碳氢化合物分子中的碳原子数
  • \(y\) 是氢原子数

这个公式直接来自原子守恒。

有 \(x\) 个碳原子,因此需要 \(x\ce{CO2}\)。

有 \(y\) 个氢原子,因此需要 \(\frac{y}{2}\ce{H2O}\)。

这些产物会决定所需的氧气量。

这个公式可用来检查答案,但不能取代理解配平过程。它也只适用于碳氢化合物。对于乙醇等含氧燃料,不要原封不动地套用这个公式。

09燃烧不等同于化合反应

例如:

\[
\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}
\]

可描述为燃烧反应,因为镁在氧气中燃烧。

它同时也符合化合反应的模式,因为两种反应物形成一种产物。

反应的分类可以重叠。所使用的分类名称取决于你正在讨论反应的哪一项特征。如果你需要比较这些模式,可参阅化合反应:预测产物与配平方程式。

10要留意的常见误解

有学生看到「丙烷的不完全燃烧」,便立即写出:

\[
\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}
\]

这个方程式已配平,而且确实代表一种可能的简化不完全燃烧反应。

但题目真的有指定会形成一氧化碳吗?

如果没有,这个方程式就不是唯一可能的答案。在氧气受到更严重限制时,丙烷也可能形成煤烟,或者形成 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的混合物。

这就是为甚么必须先预测产物,再进行配平。

即使方程式配得完全正确,仍可能回答了错误的化学问题。

11题目与解答

题目 1

一名学生写出以下丙烷完全燃烧的方程式:

\[
\ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O}
\]

这个方程式已配平吗?如果没有,请改正。

解答 1

没有。正确方程式是 \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\)。

碳和氢已经配平:

  • 碳:两边各有 \(3\) 个原子
  • 氢:两边各有 \(8\) 个原子

现在计算产物一侧的氧。

\(\ce{3CO2}\) 含有 \(3 \times 2 = 6\) 个氧原子。

\(\ce{4H2O}\) 含有 \(4 \times 1 = 4\) 个氧原子。

因此,产物共含有:

\[
6 + 4 = 10 \text{ 个氧原子}
\]

每个 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 个氧原子,因此:

\[
\frac{10}{2}=5
\]

所以:

\[
\boxed{\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}}
\]

原来的方程式在反应物一侧只有 8 个氧原子,因此没有遵守氧原子守恒。

题目 2

甲醇 \(\ce{CH3OH}\) 发生完全燃烧。预测产物并写出配平方程式。

解答 2

产物是二氧化碳和水,配平方程式为 \(\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}\)。

先写出完全燃烧的产物:

\[
\ce{CH3OH + O2 -> CO2 + H2O}
\]

一个甲醇分子含有 1 个碳原子和 4 个氢原子,因此:

\[
\ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O}
\]

产物一共含有 4 个氧原子:

  • \(\ce{CO2}\) 中有 2 个
  • \(\ce{2H2O}\) 中有 2 个

甲醇本身已提供 1 个氧原子,因此还需要由 \(\ce{O2}\) 提供另外 3 个氧原子:

\[
\ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O}
\]

把每个系数都乘以 2:

\[
\boxed{\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}}
\]

主要陷阱是忘记 \(\ce{CH3OH}\) 本身已经含有一个氧原子。

题目 3

丁烷 \(\ce{C4H10}\) 发生不完全燃烧。分析显示,一氧化碳是唯一的含碳产物。写出配平方程式。

解答 3

配平方程式为 \(\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}\)。

由于题目已指定一氧化碳,因此写成:

\[
\ce{C4H10 + O2 -> CO + H2O}
\]

配平 4 个碳原子:

\[
\ce{C4H10 + O2 -> 4CO + H2O}
\]

配平 10 个氢原子:

\[
\ce{C4H10 + O2 -> 4CO + 5H2O}
\]

现在产物中含有:

\[
4 + 5 = 9 \text{ 个氧原子}
\]

因此需要 \(\frac{9}{2}\ce{O2}\):

\[
\ce{C4H10 + \frac{9}{2}O2 -> 4CO + 5H2O}
\]

把每个系数都乘以 2:

\[
\boxed{\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}}
\]

这个方程式所使用的氧气少于完全燃烧,因为碳形成的是 \(\ce{CO}\),而不是完全氧化成 \(\ce{CO2}\)。

题目 4

题目只说戊烷 \(\ce{C5H12}\) 发生不完全燃烧。

一名学生写出:

\[
\ce{2C5H12 + 11O2 -> 10CO + 12H2O}
\]

这是不完全燃烧唯一可能的配平方程式吗?解释你的答案,并写出另一种简化的可能情况。

解答 4

不是。这名学生的方程式是一条有效的简化不完全燃烧方程式,但并不是唯一可能。

不完全燃烧表示氧气不足,不能让所有碳都完全氧化成 \(\ce{CO2}\)。视乎条件不同,可能形成一氧化碳、固态碳,或多种产物的混合物。

例如,如果题目指出会形成固态碳,一条简化方程式为:

\[
\ce{C5H12 + O2 -> C + H2O}
\]

配平碳和氢:

\[
\ce{C5H12 + O2 -> 5C + 6H2O}
\]

6 个水分子含有 6 个氧原子,因此需要 3 个氧分子:

\[
\boxed{\ce{C5H12 + 3O2 -> 5C + 6H2O}}
\]

在简化假设下,这条方程式和学生写出的一氧化碳方程式都可描述不完全燃烧。

陷阱在于假设「不完全燃烧」自动等同于「只产生一氧化碳」。要得到唯一的方程式,还需要更多关于产物的资讯。

题目 5

两个密封容器最初都含有相同量的丙烷。

点燃后,容器 A 中只含有二氧化碳和水。没有丙烷或氧气剩下。

容器 B 中含有水、二氧化碳、一氧化碳以及一些未反应的丙烷。

一名学生声称,容器 A 最初必定含有过量氧气,因为其中发生了完全燃烧。

评估这项说法。

解答 5

这项说法不正确。容器 A 需要有足够的氧气才能完全燃烧,但现有资讯并不能证明氧气是过量的。

丙烷的完全燃烧为:

\[
\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}
\]

因此,其化学计量比为:

\[
1\text{ mol }\ce{C3H8}:5\text{ mol }\ce{O2}
\]

如果容器 A 最初每 1 mol 丙烷恰好配有 5 mol 氧气,两种反应物都可以完全消耗,最后只剩下二氧化碳和水。

这与没有丙烷和氧气剩下的观察结果一致。

氧气过量表示所提供的氧气多于反应所需要的量。如果反应后仍有这些过量氧气剩下,氧气就会出现在最终物质中。

容器 B 没有足够的可用氧气进行完全燃烧。因此,部分碳形成了 \(\ce{CO}\),而不是全部形成 \(\ce{CO2}\),而且有些丙烷未反应。

这里的误解是把「完全燃烧」和「氧气过量」当成相同概念。完全燃烧需要有足够的氧气,使实际参与反应的燃料完全氧化。恰好达到化学计量所需的氧气量也可以足够。

题目 6

1 mol 丁烷 \(\ce{C4H10}\) 与恰好 \(5.50\) mol \(\ce{O2}\) 反应。

假设所有丁烷都发生反应,而且唯一产物是 \(\ce{CO2}\)、\(\ce{CO}\) 和 \(\ce{H2O}\)。

求生成的 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的物质的量,以 mol 表示。

解答 6

反应会产生 \(2.00\) mol \(\ce{CO2}\) 和 \(2.00\) mol \(\ce{CO}\)。

先处理氢。

1 mol \(\ce{C4H10}\) 含有 10 mol 氢原子。这些氢会形成:

\[
\frac{10}{2}=5.00\text{ mol }\ce{H2O}
\]

因此会产生 5.00 mol 水。

原来的 \(5.50\) mol \(\ce{O2}\) 含有:

\[
5.50 \times 2 = 11.0\text{ mol 氧原子}
\]

水使用了 5.00 mol 氧原子,因此剩下:

\[
11.0-5.00=6.00\text{ mol 氧原子}
\]

供含碳产物使用。

设 \(a\) 为 \(\ce{CO2}\) 的 mol 数,\(b\) 为 \(\ce{CO}\) 的 mol 数。

1 mol 丁烷提供 4 mol 碳原子,因此:

\[
a+b=4
\]

碳氧化物必须含有余下的 6 mol 氧原子:

\[
2a+b=6
\]

以第二条方程式减去第一条方程式:

\[
(2a+b)-(a+b)=6-4
\]

所以:

\[
a=2
\]

然后:

\[
b=4-2=2
\]

因此:

\[
\boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO2}}
\]

以及

\[
\boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO}}
\]

代表相同比例的一条配平方程式为:

\[
\boxed{\ce{2C4H10 + 11O2 -> 4CO2 + 4CO + 10H2O}}
\]

重要概念是,不完全燃烧不一定只产生一种形式的碳。当氧气供应量介乎形成不同理想化产物组合所需的氧气量之间时,\(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的混合物可以同时符合碳和氧的守恒。

当你能在配平之前先选出正确的燃烧产物后,下一个有用的步骤就是把这些方程式与化学计量连系起来。配平的燃烧方程式不只是确保原子守恒,其系数亦会告诉你摩尔比,让你计算氧气需求量、燃料消耗量以及生成产物的量。