化學反應中的原子守恆：HSC 化學指南

一名學生寫下甲烷燃燒的化學方程式：

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

看起來沒問題。甲烷與氧氣反應，產生二氧化碳和水。但有些地方不對勁。數一數原子。

反應前，甲烷中有四個氫原子。反應後，水中卻只有兩個氫原子。碳原子的數量沒有問題，但氫原子似乎消失了。

那些不見的原子去了哪裡？

它們哪裡也沒去。它們只是被一條尚未平衡的化學方程式掩蓋了。在化學反應中，原子會重新排列，而不是憑空產生或遭到摧毀。理解這個概念，是平衡化學方程式、檢查假設的反應是否合理，以及解釋化學變化的關鍵。

01謎題：如果原子保持不變，物質為甚麼會改變？

想像你有一盒不同顏色的積木。你可以把積木拆開，再重新組合成不同的形狀，但你不能憑空變出更多積木，也不能讓某些積木憑空消失。

化學反應的運作方式也很相似。

水分子可以分解成氫原子和氧原子。這些相同的原子之後可以用不同的方式重新組合，形成其他物質。原子只是換了結合對象，但每種原子的總數始終保持不變。

每當你看到一條化學方程式時，都可以問自己一個有用的問題：

「如果我分別計算反應前後每種原子的數量，兩邊的數量會相同嗎？」

試想想，如果某個反應開始時有 10 個氧原子，產物中會不會有 12 個氧原子？

不會。產物中的氧原子可以排列成不同的分子，但氧原子的數量不可能比反應開始時更多。產物中的氧原子必定來自反應物。

這個概念稱為原子守恆。

02第一個思考模型：化學反應是原子的重新排列

從粒子的層面來看，化學反應並不是原子轉變成其他種類的原子。

氫原子仍然是氫原子。碳原子仍然是碳原子。氧原子仍然是氧原子。

改變的是它們的排列方式。

例如，當氫氣與氧氣反應時：

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

反應前：

• 氫原子彼此結合，形成氫分子
• 氧原子彼此結合，形成氧分子

反應後：

• 相同的氫原子和氧原子結合，形成水分子

這條方程式並不是說氫原子會變成氧原子，也不是說會出現新的氧原子。它表示原本存在的原子重新排列了。

一個有用的類比是學校裡的朋友圈重新組合。想像四個氫原子和兩個氧原子是學生，他們重新分組。每個人都沒有改變，但他們所屬的小組改變了。這個類比並不完全準確，因為原子不會自行選擇、溝通，也不會有意識地四處移動。化學反應是由能量變化和粒子之間的相互作用所控制的。

03為甚麼化學方程式可能會意外違反這個規則？

化學方程式有兩個作用：

1. 顯示哪些物質會參與反應，以及會形成哪些物質
2. 顯示反應涉及的粒子數量是否正確

化學式會告訴你每種物質由甚麼組成。

例如：

\[ \ce{H2O} \]

表示每個水分子包含：

• 2 個氫原子
• 1 個氧原子

元素符號後面的小數字稱為下標。它表示一個分子內含有多少個該元素的原子。

化學式前面的大數字稱為係數。它表示反應涉及多少個該物質的粒子。

比較以下兩者：

\[ \ce{2H2O} \]

與

\[ \ce{H2O2} \]

它們並不相同。

\(\ce{2H2O}\) 表示兩個水分子：

• 氫原子：\(2 \times 2 = 4\)
• 氧原子：\(2 \times 1 = 2\)

\(\ce{H2O2}\) 表示一個過氧化氫分子：

• 氫原子：2
• 氧原子：2

由於係數和下標的意義不同，計算原子的方式也不同。

04平衡化學方程式：恢復原子守恆

當化學方程式尚未平衡時，化學式通常是正確的，但每種原子的數量並不正確。

以甲烷燃燒為例：

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

計算原子數量。

碳原子守恆，但氫原子和氧原子並不守恆。

解決方法不是更改化學式。例如，把 \(\ce{H2O}\) 改成 \(\ce{H4O}\) 會產生另一種物質。相反，我們應該改變係數。

平衡後的方程式是：

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

現在再次計算：

每種元素都守恆。

05簡化模型：質量又如何？

在 HSC 課程的程度中，原子守恆通常會與質量守恆聯繫起來。

如果原子沒有被創造或摧毀，那麼在封閉系統中，這些原子的總質量也必須保持不變。

不過，系統的範圍很重要。

如果你在開放容器中燃燒鎂，測量到的質量可能會增加：

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

學生可能會預測：

「我一開始唯一的固體是鎂，所以產物的質量應該會減少。」

這個預測聽起來合理，因為鎂確實正在明顯地發生變化。但空氣中的氧氣也與鎂結合了。增加的質量來自進入系統的氧原子。

守恆定律從來沒有被違反。學生只是沒有把所有反應物都計算在內。

08關於原子守恆的常見誤解

「產生氣體時，原子會消失」

例如，酸與碳酸鹽的反應可以產生二氧化碳氣體：

\[ \ce{2HCl + CaCO3 -> CaCl2 + H2O + CO2} \]

學生可能會認為，固體碳酸鹽「失去」了一些原子，因為氣泡離開了。

原子並沒有消失。碳酸鹽中的碳原子和氧原子重新排列，形成二氧化碳分子，並隨氣體離開溶液。

如需更多例子，請參閱酸與碳酸鹽的反應：預測產物和平衡化學方程式。

「可以改變化學式中的數字來平衡原子」

這是最重要的陷阱之一。

你不能因為需要更多氧原子，就把：

\[ \ce{CO2} \]

改成：

\[ \ce{CO3} \]

\(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO3}\) 代表不同的物質。

平衡化學方程式時，應該改變係數，而不是下標。

09問題與解答

問題 1

一名學生寫下以下方程式：

\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]

解釋原子是否守恆，並寫出平衡後的化學方程式。

解答 1

這條方程式尚未平衡，因為氧原子並不守恆。

反應物含有：

• 氫：\(2\) 個原子
• 氧：\(2\) 個原子

產物含有：

• 氫：\(2\) 個原子
• 氧：\(1\) 個原子

氫原子守恆，但其中一個氧原子似乎消失了。正確的平衡方程式是：

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

現在兩邊的總數是：

• 氫：兩邊各有 \(4\) 個原子
• 氧：兩邊各有 \(2\) 個原子

關鍵概念是，係數改變了水分子的數量，因此可以把原本存在的氧原子全部計算在內。

問題 2

一份碳酸鈣樣本與鹽酸反應：

\[ \ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + H2O + CO2} \]

解釋為甚麼碳酸鈣中的碳原子並沒有被摧毀，即使固體消失並產生氣體。

解答 2

碳原子重新排列，形成二氧化碳分子。

反應物碳酸鈣的每個化學式單位都含有一個碳原子：

\[ \ce{CaCO3} \]

產物二氧化碳的每個分子也含有一個碳原子：

\[ \ce{CO2} \]

固體之所以消失，是因為粒子現在以不同的方式排列，形成其他物質。碳原子並沒有被摧毀，而是成為二氧化碳的一部分，進入氣相。

常見的錯誤是把「固體消失」與「原子流失」聯繫起來。物質外觀的改變並不代表原子消失了。

問題 3

一名學生在氧氣中燃燒 \(10.0\ \text{g}\) 的鎂。產生的氧化鎂質量為 \(16.6\ \text{g}\)。

學生說：「原子守恆定律失效了，因為產物的質量增加了。」

解釋為甚麼這名學生的結論不正確。

解答 3

這個結論不正確，因為空氣中的氧原子已成為氧化鎂的一部分。

反應方程式是：

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

鎂原子原本已經存在，但氧原子從周圍環境進入系統。

質量增加了：

\[ 16.6\ \text{g} - 10.0\ \text{g} = 6.6\ \text{g} \]

這 \(6.6\ \text{g}\) 代表與鎂反應的氧的質量。

守恆原理只適用於所考慮系統內包含的原子。如果忽略來自空氣的氧，計算結果看起來就像是質量憑空出現。

問題 4

有人提出以下兩條可能的方程式，用來表示水的形成。

模型 A：

\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]

模型 B：

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

一名學生認為模型 A 比較好，因為它使用較少的分子。判斷哪個模型在化學上有效，並解釋原因。

解答 4

模型 B 在化學上是有效的，因為它符合每種原子的守恆。

模型 A 看起來比較簡單，但它的原子數量不符合守恆：

反應物：

• 氫：\(2\)
• 氧：\(2\)

產物：

• 氫：\(2\)
• 氧：\(1\)

其中一個氧原子在產物中找不到對應的原子。

模型 B 的原子數量如下：

反應物：

• 氫：\(2 \times 2 = 4\)
• 氧：\(2\)

產物：

• 氫：\(2 \times 2 = 4\)
• 氧：\(2 \times 1 = 2\)

這裡的陷阱是認為最短的方程式必然是最好的方程式。化學方程式首先必須符合原子守恆，其次才考慮簡潔性。

問題 5

一個密封容器內含有甲烷和氧氣。反應完全後，容器內只剩下二氧化碳和水蒸氣。

一名學生測量最終物質，得出以下結果：

• 碳原子：\(3.0 \times 10^{22}\)
• 氫原子：\(1.2 \times 10^{23}\)
• 氧原子：\(1.5 \times 10^{23}\)

反應前，所有碳原子和氫原子都來自甲烷。氧原子則只來自氧氣。

求反應前氧氣中氧原子的數量，並解釋你的推理。

解答 5

氧氣最初含有 \(1.5 \times 10^{23}\) 個氧原子。

原因是氧原子具有守恆性，而產物中的氧原子唯一的來源就是氧氣反應物。

一種看似合理的方法，是嘗試根據二氧化碳分子和水分子的數量，推算最初的氧原子數量。這種方法可行，但在這裡並無必要，因為題目已提供反應後氧原子的總數，並說明沒有其他氧原子來源。

由於容器是密封的，沒有氧原子進入或離開。因此：

\[ \text{反應前的氧原子數量} = \text{反應後的氧原子數量} \]

\[ =1.5 \times 10^{23} \]

更深層的概念是，守恆定律是對整個系統施加的限制。原子可以在不同分子和物態之間移動，但每種元素的原子總數不會改變。

理解原子守恆，能讓你更容易掌握化學的下一個步驟：預測產物，以及平衡更複雜的反應，包括燃燒反應、酸鹼反應和沉澱反應。