反應中原子的重新排列：HSC 化學指南

反應似乎會做出一件不可能的事。氫氣和氧氣可以消失，取而代之的是水。如果物質已經改變，那麼構成原本氣體的原子去了哪裡？

在繼續閱讀之前，先作一個預測。在氫與氧的反應中，一個氧原子會不會因為不再屬於氧分子的一部分，就直接消失？

不會。在一般的化學反應中，原子仍然存在。改變的是哪些原子彼此鍵結。原本與氫原子鍵結的氫原子，最後可以改為與氧原子鍵結。物質之所以改變，是因為原子的排列方式改變了。

這一個概念同時解釋了為甚麼反應會產生新物質，以及為甚麼化學方程式必須配平。

01把反應想成重新排列

想像四名學生坐在兩張桌子旁。午餐期間，沒有人進入或離開房間，但每個人都換了座位，組成新的小組。

人就像原子。桌旁的小組就像分子。

化學反應也很相似：反應前存在的原子，在反應後會重新組合成不同的排列。不過，這個類比有其限制。原子不會自行選擇新的「夥伴」。化學鍵結是由涉及電子與能量的相互作用所控制。

以水的形成為例：

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

反應前，氫原子排列成 \(\ce{H2}\) 分子，而氧原子排列成 \(\ce{O2}\) 分子。

反應後，同樣的那些原子排列成 \(\ce{H2O}\) 分子。

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數一數。

分子改變了。每種元素的原子數目沒有改變。

這就是核心模型。

02實際上守恆的是甚麼？

在一般的化學反應中，原子會重新排列，而不是被創造、消滅，或變成另一種元素的原子。

進入反應的一個碳原子仍然是碳原子。一個氧原子仍然是氧原子。

在 HSC 程度，你應該預期：

• 每種元素的原子數目在反應前後相同
• 封閉反應系統的總質量保持不變
• 反應前後存在的物質可以完全改變

最後一點值得留意。**守恆並不代表甚麼都沒有改變。**它表示在排列方式改變的同時，某些量保持不變。

上述第一個模型稍為簡化了情況。更詳細地說，化學反應涉及電子排列和化學鍵的改變。在一般的化學反應中，原子核並不會改變，因此每個原子都保留其元素身分。

核反應則不同。它們可以把一種元素轉變成另一種元素，但一般 HSC 化學方程式所描述的並不是這種情況。

03為甚麼化學方程式必須配平

考慮這個方程式：

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

如果只看物質名稱，它似乎很合理：氫與氧反應生成水。

但數一數原子。

左邊：

• 2 個氫原子
• 2 個氧原子

右邊：

• 2 個氫原子
• 1 個氧原子

看起來有一個氧原子消失了。

化學反應本身並沒有錯。問題是這個方程式作為反應模型並不完整。

我們利用係數來修正：

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

係數告訴我們有多少個粒子，或多少莫耳的粒子參與反應。

所以 \(2\ce{H2}\) 在粒子模型中表示兩個氫分子，而在宏觀計算中則表示兩莫耳氫分子。

現在兩邊的原子數目相符。

係數可以改變，下標不可以

這是配平方程式時最重要的判斷規則之一。

假設你嘗試把

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

中的水改成 \(\ce{H2O2}\) 來配平。

這樣的確會使右邊有兩個氧原子，但你描述的就不再是水。\(\ce{H2O2}\) 是過氧化氫，是另一種不同的物質。

下標是物質化學身分的一部分。

係數改變的是該物質的量。

例如：

• \(\ce{H2O}\) 表示水
• \(\ce{2H2O}\) 表示兩個水分子，或兩莫耳水
• \(\ce{H2O2}\) 表示過氧化氫

配平方程式時，只改變係數。

04一種可靠的重新排列追蹤方法

當方程式變得複雜時，不要再嘗試讓它「看起來平衡」。應該有系統地數原子。

使用以下步驟：

1. 先寫出正確的化學式。
2. 計算方程式兩邊每種元素的原子數目。
3. 選擇一種最容易調整數目的元素。
4. 改變係數，而不是下標。
5. 重新計算每種元素。
6. 如有可能，把係數化成最小整數比。

目標不只是符合一條數學規則。每個係數都必須代表一種可能的重新排列，使每一個原子都能被計算在內。

05分子數目不必守恆

這裡有一個很容易產生的猜想：如果原子守恆，那麼分子的數目也許也必須保持不變。

再看看：

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

在反應物一側的粒子模型中有三個分子：兩個 \(\ce{H2}\) 分子和一個 \(\ce{O2}\) 分子。

在生成物一側則只有兩個 \(\ce{H2O}\) 分子。

因此，分子數目由 3 變成了 2。

這是完全可以的。

在這個模型中，原子才是守恆的組成單位。分子只是這些組成單位的排列，因此分子可以被拆開、形成，數目也可以改變。

這就像把三對正在約會的情侶重新組成兩個較大的朋友群組。即使群組數目改變，也沒有人神秘地從房間裡消失。這個類比的限制在於，分子具有固定的化學結構，而不是社交偏好，但它對理解數量記錄的概念很有幫助。

06原子守恆導致質量守恆

原子具有質量。如果反應前後存在的是相同的原子，那麼封閉系統的總質量就會保持不變。

假設 12.0 g 的碳在密封容器中與 32.0 g 的氧完全反應，形成二氧化碳。

反應為

\[ \ce{C + O2 -> CO2} \]

反應物的總質量為

\[ m_{\text{反應物}} = 12.0\text{ g} + 32.0\text{ g} = 44.0\text{ g} \]

因此，生成物的總質量也必須是 44.0 g。

這不表示每一種反應物的質量都與每一種生成物相同。它表示整個封閉系統的質量守恆。

為甚麼「封閉系統」很重要

想像在開口試管中加熱一種碳酸鹽，之後發現固體的重量減少了。

質量被消滅了嗎？

不一定。氣態生成物可能已經逸散到周圍環境。

如果你的「系統」只包括試管和剩下的固體，那麼物質已經離開了這個系統。如果你能夠把所有反應物和生成物都密封起來並加以量度，包括氣體在內，質量平衡便會恢復。

因此，當實驗測得的質量看起來不相符時，不要只問「守恆定律是不是被破壞了？」。

更有用的問題是：我們究竟把哪些東西包括在系統邊界之內？

07更複雜的重新排列：燃燒

當多種元素同時重新排列時，配平的重要性就更加明顯。

考慮乙烷的完全燃燒：

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

在調整係數之前，先判斷每一種元素最後會去哪裡。

• \(\ce{C2H6}\) 中的碳最後進入 \(\ce{CO2}\)。
• \(\ce{C2H6}\) 中的氫最後進入 \(\ce{H2O}\)。
• \(\ce{O2}\) 中的氧會分布在兩種生成物之中。

這提示了一個實用策略：先配平碳和氫，再配平氧。

08最容易造成配平錯誤的迷思

學生經常把配平視為一種數字謎題，只要不斷在不同位置放入數字，直到兩邊「相等」即可。

這種做法會造成問題，因為化學式並不是可以任意調整的記帳符號。

考慮：

\[ \ce{N2 + H2 -> NH3} \]

你可能注意到左邊有兩個氮原子，於是想：「我把 \(\ce{NH3}\) 改成 \(\ce{N2H3}\) 就好了。」

這並不是在配平反應，而是在創造另一種物質。

正確做法是保留 \(\ce{NH3}\) 的化學式，只改變存在多少個粒子：

\[ \ce{N2 + 3H2 -> 2NH3} \]

現在：

• 兩邊各有 2 個 N 原子
• 兩邊各有 6 個 H 原子

一個實用的檢查問題是：

我正在改變的是粒子的數目，還是每個粒子本身是甚麼？

如果你正在配平方程式，可以改變前者，不可以改變後者。

09問題與解答

問題 1

一個粒子模型開始時有三個 \(\ce{H2}\) 分子和兩個 \(\ce{O2}\) 分子。形成了兩個 \(\ce{H2O}\) 分子。

這兩個水分子形成後，還剩下多少個 \(\ce{H2}\) 分子和 \(\ce{O2}\) 分子？

解答 1

剩下兩個 \(\ce{H2}\) 分子和一個 \(\ce{O2}\) 分子。

形成兩個水分子遵循以下重新排列：

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

因此，這個反應會消耗兩個 \(\ce{H2}\) 分子和一個 \(\ce{O2}\) 分子。

起始數量：

\[ 3\ce{H2} \quad \text{和} \quad 2\ce{O2} \]

完成一次反應後：

\[ 3 - 2 = 1\ce{H2} \]

以及

\[ 2 - 1 = 1\ce{O2} \]

所以，正確的剩餘數量其實是一個 \(\ce{H2}\) 分子和一個 \(\ce{O2}\) 分子。

重點是，兩個水分子含有四個 H 原子和兩個 O 原子。這些原子必須來自兩個氫分子和一個氧分子。如果只是比較「反應前有三個分子」和「形成了兩個分子」，就會忽略所需的原子數目。

問題 2

使用最小整數係數配平以下方程式：

\[ \ce{Al + Cl2 -> AlCl3} \]

解釋為甚麼把 \(\ce{AlCl3}\) 改成 \(\ce{AlCl2}\) 並不是有效的配平方法。

解答 2

配平後的方程式是 \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\)，而 \(\ce{AlCl3}\) 中的下標不能改變，因為這樣會改變物質本身。

每個 \(\ce{AlCl3}\) 化學式單位含有三個氯原子，而氯以 \(\ce{Cl2}\) 中成對的形式進入反應。

2 和 3 的最小公倍數是 6，因此令兩邊各有六個氯原子。

三個 \(\ce{Cl2}\) 分子含有

\[ 3 \times 2 = 6 \]

個 Cl 原子。

兩個 \(\ce{AlCl3}\) 化學式單位含有

\[ 2 \times 3 = 6 \]

個 Cl 原子。

因此得到

\[ \ce{Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]

現在右邊有兩個 Al 原子，所以在 Al 前加上 2：

\[ \ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]

把 \(\ce{AlCl3}\) 改成 \(\ce{AlCl2}\) 會改變其化學式，因此也會改變該化合物的化學身分。配平時改變的是係數，不是下標。

問題 3

一名學生寫出：

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

他說：「這個方程式不可能正確，因為反應前有三個分子，反應後卻只有兩個分子。物質消失了。」

這名學生的推理正確嗎？請同時利用原子數目和分子數目解釋。

解答 3

不正確。即使分子數目並不守恆，這個方程式仍然符合原子守恆。

在反應物一側：

• \(2\ce{CO}\) 含有 2 個 C 原子和 2 個 O 原子
• \(\ce{O2}\) 另外含有 2 個 O 原子

反應物的原子總數：

• C：2
• O：4

在生成物一側，\(2\ce{CO2}\) 含有：

• C：2
• O：4

每一個原子都已計算在內。

分子數目由三個反應物分子變成兩個生成物分子，但分子數目並不需要保持不變。分子是原子的排列，而反應可以改變這些排列的數目。

這名學生的迷思是把分子本身當成守恆的單位。在一般的化學反應中，必須守恆的是每種元素的原子數目。

問題 4

某密封反應容器在反應前的總質量為 86.35 g。反應後，一名學生量得容器內有 61.20 g 液體和 25.15 g 固體。

另一名學生堅持認為一定也形成了氣體，因為「大多數化學反應都會產生一些氣體」。

利用量度結果評估這項說法。

解答 4

質量量度結果並沒有提供證據顯示還存在具有可量度質量的氣體，因為量得的液體和固體已經完全佔了初始的全部質量。

初始質量為

\[ m_{\text{初始}} = 86.35\text{ g} \]

量得的最終質量為

\[ m_{\text{最終}} = 61.20\text{ g} + 25.15\text{ g} = 86.35\text{ g} \]

所以

\[ m_{\text{初始}} = m_{\text{最終}} \]

沒有任何未能交代的質量。

只有在所述的某項量度間接包含了氣體，或另一個已量度的成分被錯誤解讀時，才可能存在氣體。單憑所提供的質量數據，並不要求一定有氣態生成物。

陷阱在於，因為某類生成物在化學反應中看似常見，就假設它必定存在。守恆可以告訴我們所提出的生成物能否解釋現有的物質，但它並不表示每一個反應都必須產生氣體。

問題 5

一名學生提出以下粒子層次的反應：

\[ \ce{2AB2 + B2 -> 2AB3} \]

其中 \(A\) 和 \(B\) 代表兩種不同的元素。

另一名學生說這個模型不可能成立，因為每個生成物粒子所含的原子數比原本每個 \(\ce{AB2}\) 粒子更多。

判斷所提出的重新排列是否可能，並解釋第二名學生推理上的問題。

解答 5

所提出的重新排列是可能的，因為 \(A\) 和 \(B\) 原子的總數都守恆。

先數左邊的原子。

來自 \(2\ce{AB2}\)：

• \(A: 2\)
• \(B: 4\)

來自 \(\ce{B2}\)：

• \(B: 2\)

所以反應物的總數為：

\[ A = 2, \qquad B = 6 \]

現在數生成物。

來自 \(2\ce{AB3}\)：

\[ A = 2, \qquad B = 6 \]

數目完全相符。

第二名學生只把每個生成物粒子與一個 \(\ce{AB2}\) 粒子比較，卻忽略了額外的 \(\ce{B2}\) 反應物。如果來自另一種反應物的原子加入生成物粒子，那麼生成物粒子所含的原子數可以比某一個特定反應物粒子更多。

正確的比較方式是比較所有反應物中的全部原子與所有生成物中的全部原子。

問題 6

一種金屬在開放容器中與一種氣體反應。固態生成物的質量比原本金屬塊的質量更大。

一名學生下結論說：「這違反了質量守恆，因為生成物比起始固體更重。」

解釋為甚麼不能由此得出這個結論。然後指出還需要量度甚麼，才能正確檢驗質量守恆。

解答 6

生成物質量較大並不違反質量守恆，因為氣態反應物中的原子已成為固態生成物的一部分。

這名學生的比較漏掉了其中一種反應物。

如果一種金屬 \(M\) 與氧反應，一個簡化的方程式可能寫成

\[ \ce{M + O2 -> metal\ oxide} \]

最終固體含有原本的金屬原子，再加上來自周圍氣體的氧原子。因此，它的質量可以大於原本金屬的質量。

例如，如果 10.0 g 金屬與 2.5 g 氧結合，所得氧化物的質量可以是

\[ m_{\text{生成物}} = 10.0\text{ g} + 2.5\text{ g} = 12.5\text{ g} \]

並沒有任何質量被創造出來。增加的 2.5 g 來自學生最初量度時沒有包括在內的物質。

要正確檢驗質量守恆，就需要量度反應前每一種反應物的總質量，以及反應後每一種生成物的總質量，最好使用封閉系統，使物質不能進入或逸出。

這就是配平方程式背後更深一層的意義。它們不只是一項符號表示的練習，而是在粒子層次上描述每一個原子去向的模型。一旦掌握了這個模型，它便成為莫耳比、化學計量計算、限制反應物，以及定量預測一個反應實際能形成多少生成物的基礎。