合成反應：預測產物與配平方程式

把鎂帶放在氧氣中燃燒，會得到白色固體氧化鎂。最初的方程式看起來很簡單：

\[ \ce{Mg + O2 -> ?} \]

繼續閱讀之前，先預測一下產物。氧以 \(\ce{O2}\) 的形式參與反應，那麼產物應該是 \(\ce{MgO2}\) 嗎？

不是。產物是 \(\ce{MgO}\)。這個小小的差別正好揭示了合成反應中的主要技巧：你必須先判斷正確的化學式，然後才配平方程式。如果先嘗試配平，很容易為了讓方程式成立，而寫出一個實際上並不存在於你所寫形式中的化合物。

01合成反應真正表示的是甚麼

當兩種或以上的反應物結合，形成一種產物物質時，就會發生合成反應。

基本模式是：

\[ \ce{A + B -> AB} \]

這裡的 \(A\) 和 \(B\) 只是代表反應物。它們並不是說一個 \(A\) 粒子必須恰好與一個 \(B\) 粒子結合。

可以用一個有點滑稽的比喻來想像：兩個人分別到達學校舞會，最後以一對情侶的身分一起離開。這個比喻有用的地方，是原本分開的群體結合成了一個新的群體。不過，這個比喻很快就會失效。原子不一定以一比一的比例結合，而比例取決於化學結構；對離子化合物而言，還取決於電荷。

例如：

\[ \ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl} \]

反應物有兩種物質：鈉和氯，但產物物質只有一種：氯化鈉。

請注意，產物前面的係數是 2。這不代表有兩種不同的產物。兩個化學式單位仍然都是同一種物質 \(\ce{NaCl}\)。

合成反應是一種模式，而不是保證

辨認這種模式很有用，但不要過度套用。

看到左邊有兩種物質，並不能證明它們一定會發生反應；知道某個反應屬於合成反應，也不一定能告訴你確切的產物。有些元素可以形成多種化合物，而產物也可能取決於反應條件。

所以真正有用的問題不只是：

「有兩種反應物嗎？」

而是：

「這些反應物是否會結合形成一種可以確定身分的產物，而且我是否有足夠的化學資訊來判斷它的化學式？」

後面會看到，第二個問題非常重要。

02先寫化學式，再配平

假設鋁與氧反應。

一個常見錯誤是看到 \(\ce{O2}\)，便立即嘗試讓每個鋁原子接上兩個氧原子。這可能會寫出 \(\ce{AlO2}\)。

但 \(\ce{O2}\) 描述的是反應前的單質氧。它並沒有告訴你新化合物中鋁與氧的比例。

對離子產物而言，這個比例由電荷決定。

鋁通常形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\) 離子。氧化物離子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。

正、負電荷的總和必須平衡。能做到這一點的最小組合是：

• 2 個鋁離子：總電荷為 \(+6\)
• 3 個氧化物離子：總電荷為 \(-6\)

因此化學式是：

\[ \ce{Al2O3} \]

只有在先把這個化學式寫正確之後，才應該配平完整方程式。

因此可以使用以下實用的判斷順序：

1. 辨認最可能的產物。
2. 寫出它正確的化學式。
3. 寫出未配平的方程式。
4. 只使用係數來配平。
5. 數清楚每一種原子的數目，檢查答案。

這個次序很重要。

03預測常見的合成反應產物

在十一年級化學中較簡單的合成反應裡，反應物的種類通常能為產物提供很強的線索。

這些都是有用的模式，但不是普遍定律。例如，不是每一種金屬氧化物都容易與水反應，而且有些元素可以形成幾種不同的氧化物。

應根據題目提供的資訊、你對常見離子和化合物的知識，以及題目列明的任何反應條件來判斷。

04不要忘記元素單質的雙原子分子

有幾種非金屬以純元素形式存在時，通常以含有兩個原子的分子存在。

值得記住的是：

這會影響方程式中反應物一側的寫法。

例如，氯氣是 \(\ce{Cl2}\)，不是 \(\ce{Cl}\)：

\[ \ce{Ca + Cl2 -> CaCl2} \]

但當氯成為氯化鈣的一部分後，\(\ce{CaCl2}\) 的化學式是由離子電荷決定，而不是由單質氯原本以 \(\ce{Cl2}\) 的形式存在所決定。

05係數和下標的作用完全不同

這個分別會造成大量的配平錯誤。

看看：

\[ \ce{2MgO} \]

\(\ce{MgO}\) 中的下標實際上表示每 1 個鎂原子配有 1 個氧原子。下標是化合物身分的一部分。

係數 2 則表示有兩個 \(\ce{MgO}\) 化學式單位。

改變係數會改變某種物質的數量。

改變下標則會改變物質本身。

例如：

• \(\ce{MgO}\) 是氧化鎂。
• \(\ce{MgO2}\) 的組成不同，不能只因為它令方程式較容易配平，就用它來代替 \(\ce{MgO}\)。

因此，以下寫法才是正確的：

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

要平衡兩個氧原子，應在 \(\ce{MgO}\) 前面加上 2，而不是更改它的化學式。

如果你對配平方程式背後的守恆概念仍不太穩固，值得先複習反應中的原子重新排列：HSC 化學指南。化學方程式之所以成立，是因為原子只是重新排列，而不是被創造或消滅。

範例：鈣與氯反應

金屬鈣與氯氣反應形成氯化鈣。預測產物，並寫出配平的化學方程式。

步驟 1：辨認產物類型。

鈣是金屬，氯是非金屬，因此我們預期形成離子化合物。

鈣形成 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 離子，而氯形成 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子。

步驟 2：判斷產物的化學式。

一個 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 離子需要兩個 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子，才能使總電荷為零。

因此，產物是：

\[ \ce{CaCl2} \]

步驟 3：正確寫出反應物的化學式。

單質鈣是 \(\ce{Ca}\)，而單質氯是雙原子分子 \(\ce{Cl2}\)。

所以未配平的方程式是：

\[ \ce{Ca + Cl2 -> CaCl2} \]

步驟 4：數原子。

兩邊各有：

• 1 個 Ca 原子
• 2 個 Cl 原子

因此方程式已經配平：

\[ \boxed{\ce{Ca(s) + Cl2(g) -> CaCl2(s)}} \]

係數為 \(1:1:1\)。一份量的鈣與相當的一份量氯分子反應，形成氯化鈣。

範例：鋁與氧反應

金屬鋁與氧氣反應形成氧化鋁。預測產物，並寫出配平的化學方程式。

步驟 1：判斷產物的化學式。

鋁通常形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\)，而氧形成 \(\mathrm{O}^{2-}\)。

為了平衡電荷，需要 2 個鋁離子和 3 個氧化物離子：

\[ 2(+3) + 3(-2) = 0 \]

因此，氧化鋁是：

\[ \ce{Al2O3} \]

步驟 2：寫出未配平的方程式。

單質氧以 \(\ce{O2}\) 形式存在：

\[ \ce{Al + O2 -> Al2O3} \]

步驟 3：先配平氧。

每個 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 個氧原子，而每個 \(\ce{Al2O3}\) 化學式單位含有 3 個氧原子。

2 和 3 都能整除的最小數是 6。

因此使用 3 個 \(\ce{O2}\) 分子和 2 個 \(\ce{Al2O3}\) 化學式單位：

\[ \ce{Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]

現在兩邊都有 6 個氧原子。

步驟 4：配平鋁。

兩個 \(\ce{Al2O3}\) 化學式單位含有 4 個鋁原子，因此在鋁前面加上 4：

\[ \boxed{\ce{4Al(s) + 3O2(g) -> 2Al2O3(s)}} \]

現在方程式符合兩種元素的守恆：

• Al：\(4 = 4\)
• O：\(6 = 6\)

重要的不是算術本身，而是把兩項工作分開處理：離子電荷決定化學式 \(\ce{Al2O3}\)，然後再用係數平衡原子數目。

06為甚麼一個合成反應也可以屬於另一種類別

反應類別可以重疊。

鎂的燃燒就是一個很好的例子：

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

它是合成反應，因為兩種反應物結合形成一種產物物質。

它也可以描述為燃燒反應，因為鎂與氧反應並釋放能量。

因此，反應名稱是對反應模式的描述。它們不一定是互相排斥的分類，不是每個反應都只能屬於其中一類。

當題目要求你對某個分類作出解釋時，這一點尤其重要。應指出方程式中符合該分類的相關特徵，而不是只依賴反應名稱。

07最容易犯的錯誤：為了容易配平而改變產物

假設題目給你：

\[ \ce{Al + O2 -> Al2O3} \]

有學生注意到左邊的氧是兩個一組，而右邊是三個一組。於是他把產物改成 \(\ce{AlO2}\)，得到：

\[ \ce{Al + O2 -> AlO2} \]

現在看起來容易配平多了。

算術確實變容易了，因為化學內容已經被改變了。

化學式不是可以隨意調整的記帳工具。\(\ce{Al2O3}\) 表示氧化鋁的組成。一旦這個化學式確定，配平時只能改變係數。

可以把下標想成一個人姓名的一部分，而係數則是有這個名字的人數。如果你需要三個叫 Alex 的人，你會寫「3 個 Alex」，而不是把 Alex 改名為「Alex3」。這個比喻有點荒謬，但確實能說明兩者的分別。

08當單靠模式無法預測產物時

假設一道題目說：

鐵在合成反應中與氧反應。預測所形成氧化鐵的確切化學式。

這裡有一個問題。

鐵可以形成超過一種氧化態的化合物。鐵的氧化物包括 \(\ce{FeO}\)、\(\ce{Fe2O3}\) 和 \(\ce{Fe3O4}\)。單憑「鐵與氧反應」這句話，並不能確定形成的是哪一種氧化物。

因此，不應只因為題目看起來符合熟悉的合成反應模式，就自行猜出一個產物。

如果題目改為告訴你形成的是氧化鐵(III)，那麼氧化態便提供了缺少的資訊。鐵(III) 表示 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)，因此得到 \(\ce{Fe2O3}\)，配平後的方程式為：

\[ \ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3} \]

這正是簡單 \(A+B\rightarrow AB\) 模型的一項重要限制。它能幫助你辨認合成反應的結構，但真正的化學性質仍然決定 \(AB\) 實際上是甚麼。

09考試時可靠的方法

當你需要預測並配平一個合成反應時，請依照以下順序：

1. 正確辨認反應物。 記住 \(\ce{O2}\)、\(\ce{N2}\) 和 \(\ce{Cl2}\) 等雙原子元素分子。
2. 判斷是否預期只形成一種產物物質。
3. 根據化學知識判斷產物的化學式。 如果產物是離子化合物，使用離子的電荷來判斷。
4. 配平時不要改變這個化學式。
5. 加入係數，直到每一種元素在方程式兩邊的原子數目相同。
6. 把係數化成最小整數比。
7. 檢查你是否真的有足夠資訊來預測產物。

最後一步可以避免把模式辨認變成純粹猜測。

10題目與解答

題目 1

金屬鋰與溴反應形成溴化鋰。預測產物的化學式，並寫出配平的化學方程式。

解答 1

配平的方程式是：

\[ \boxed{\ce{2Li + Br2 -> 2LiBr}} \]

鋰形成 \(\mathrm{Li}^{+}\) 離子，而溴形成 \(\mathrm{Br}^{-}\) 離子，因此兩種離子以 \(1:1\) 的比例結合。所以產物的化學式是 \(\ce{LiBr}\)。

單質溴是雙原子分子，因此反應物必須寫成 \(\ce{Br2}\)。由

\[ \ce{Li + Br2 -> LiBr} \]

開始，左邊有兩個溴原子，但右邊只有一個。在 \(\ce{LiBr}\) 前面加上係數 2，然後再配平鋰：

\[ \ce{2Li + Br2 -> 2LiBr} \]

現在兩邊各有 2 個 Li 原子和 2 個 Br 原子。

題目 2

鎂與氮氣反應形成氮化鎂。預測產物的化學式，並寫出配平的化學方程式。

解答 2

產物是 \(\ce{Mg3N2}\)，配平的方程式是：

\[ \boxed{\ce{3Mg + N2 -> Mg3N2}} \]

鎂形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，而氮化物離子是 \(\mathrm{N}^{3-}\)。

最小的相等正、負電荷總量是 6：

\[ 3(+2)=+6 \]

以及

\[ 2(-3)=-6 \]

因此三個鎂離子與兩個氮化物離子結合，得到 \(\ce{Mg3N2}\)。

單質氮本來就以 \(\ce{N2}\) 的形式存在。一個 \(\ce{Mg3N2}\) 化學式單位含有三個鎂原子，所以 \(\ce{Mg}\) 前面需要係數 3。

\(3:1:1\) 的係數比描述的是反應物質的數量比例。\(\ce{Mg3N2}\) 中的下標 3 和 2 則描述化合物的組成。

題目 3

氧化鈉按照合成反應與水反應，生成氫氧化鈉。

寫出配平的方程式。一名學生認為，因為配平後的方程式在產物前面有係數 2，所以它不可能是合成反應。解釋這名學生是否正確。

解答 3

配平的方程式是：

\[ \boxed{\ce{Na2O + H2O -> 2NaOH}} \]

這名學生的結論不正確。這仍然是合成反應，因為只有一種產物物質，也就是氫氧化鈉。

配平前先數原子：

\[ \ce{Na2O + H2O -> NaOH} \]

左邊總共有 2 個 Na 原子、2 個 H 原子和 2 個 O 原子。在氫氧化鈉前面加上係數 2：

\[ \ce{Na2O + H2O -> 2NaOH} \]

現在兩邊都有：

• 2 個 Na 原子
• 2 個 H 原子
• 2 個 O 原子

係數 2 表示每進行一次符合化學計量比例的反應，會產生兩個氫氧化鈉化學式單位；若以宏觀尺度計算，則是兩莫耳氫氧化鈉。它並不會產生第二種類型的產物。

陷阱在於混淆了產物粒子的數目和產物物質的種類數目。

題目 4

一名學生被要求寫出鋁與氧之間的反應。他寫道：

\[ \ce{2Al + O2 -> 2AlO} \]

他的方程式已經配平。解釋為甚麼它在化學上仍然不正確，並寫出正確的配平方程式。

解答 4

這名學生的方程式在原子數目上已配平，但產物的化學式不正確。正確方程式是：

\[ \boxed{\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}} \]

只有先把物質本身的化學式寫正確，配平原子才有意義。

鋁形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\) 離子，而氧化物離子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。因此，一個電中性的離子化合物需要兩個鋁離子和三個氧化物離子：

\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]

所以正確的化學式是 \(\ce{Al2O3}\)，而不是 \(\ce{AlO}\)。

由以下方程式開始：

\[ \ce{Al + O2 -> Al2O3} \]

取 2 和 3 的最小公倍數，即 6 個氧原子：

\[ \ce{Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]

兩個 \(\ce{Al2O3}\) 單位含有四個鋁原子，因此得到：

\[ \ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]

陷阱在於以為只要方程式中的原子數量平衡，它在化學上就一定有效。原子守恆是必要條件，但各種物質的化學式也必須正確。

題目 5

一名化學家觀察到某反應中只有鐵和氧兩種反應物，而且只收集到一種固體產物。

一名學生因此得出結論：由於這是合成反應，所以產物的化學式一定是 \(\ce{Fe2O3}\)。

這個結論有充分根據嗎？如果之後的分析顯示產物是氧化鐵(III)，請寫出配平的方程式。

解答 5

單憑已提供的資訊，最初的結論沒有充分根據。如果之後確認產物是氧化鐵(III)，配平的方程式是：

\[ \boxed{\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}} \]

這項觀察確實支持把反應歸類為合成反應：兩種反應物物質結合形成一種產物物質。

然而，這種模式並不能決定確切的化學式。鐵可以有多於一種氧化態，也能形成多於一種氧化物。因此，只知道鐵與氧發生反應，並不足以證明產物是 \(\ce{Fe2O3}\)。

一旦題目指定產物為氧化鐵(III)，情況就不同了。鐵(III) 對應 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)，而氧化物離子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)，因此得到化學式 \(\ce{Fe2O3}\)。

未配平的方程式是：

\[ \ce{Fe + O2 -> Fe2O3} \]

配平後得到：

\[ \ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3} \]

其中隱藏的重要假設，是以為反應的分類會自動決定鐵的氧化態。事實並非如此。

題目 6

氮化鎂的合成可表示為：

\[ \ce{3Mg + N2 -> Mg3N2} \]

想像一個粒子模型，其中含有 8 個鎂原子和 3 個氮分子。假設反應持續進行，直到其中一種反應物無法再繼續反應。

最多可以形成多少個 \(\ce{Mg3N2}\) 化學式單位？還有哪些粒子沒有反應？

解答 6

最多可以形成2 個 \(\ce{Mg3N2}\) 化學式單位。反應後，會剩下2 個 Mg 原子和 1 個 \(\ce{N2}\) 分子。

配平的方程式告訴我們所需的粒子比例：

\[ \ce{3Mg + N2 -> Mg3N2} \]

形成每一個氮化鎂化學式單位需要：

• 3 個 Mg 原子
• 1 個 \(\ce{N2}\) 分子

要形成 2 個化學式單位：

\[ \ce{6Mg + 2N2 -> 2Mg3N2} \]

開始時有 8 個 Mg 原子和 3 個 \(\ce{N2}\) 分子，因此剩下：

\[ 8-6=2 \]

個 Mg 原子，以及

\[ 3-2=1 \]

個 \(\ce{N2}\) 分子。

若要形成第三個化學式單位，還需要另外 3 個 Mg 原子，但現在只剩下 2 個。因此，在這個粒子模型中，鎂是限制反應物。

到了這一步，配平方程式的作用已經不只是把方程式整理整齊。係數提供了反應粒子之間的定量比例；之後，它們也會表示以莫耳計算時各反應物質之間的比例。這項連繫正是從合成反應進一步學習化學計量和限制反應物計算的下一步。