化学反应中的原子守恒：HSC 化学指南

一名学生写下甲烷燃烧的化学方程式：

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

看起来没问题。甲烷与氧气反应，产生二氧化碳和水。但有些地方不对劲。数一数原子。

反应前，甲烷中有四个氢原子。反应后，水中却只有两个氢原子。碳原子的数量没有问题，但氢原子似乎消失了。

那些不见的原子去了哪里？

它们哪里也没去。它们只是被一条尚未平衡的化学方程式掩盖了。在化学反应中，原子会重新排列，而不是凭空产生或遭到摧毁。理解这个概念，是平衡化学方程式、检查假设的反应是否合理，以及解释化学变化的关键。

01谜题：如果原子保持不变，物质为甚么会改变？

想像你有一盒不同颜色的积木。你可以把积木拆开，再重新组合成不同的形状，但你不能凭空变出更多积木，也不能让某些积木凭空消失。

化学反应的运作方式也很相似。

水分子可以分解成氢原子和氧原子。这些相同的原子之后可以用不同的方式重新组合，形成其他物质。原子只是换了结合对象，但每种原子的总数始终保持不变。

每当你看到一条化学方程式时，都可以问自己一个有用的问题：

「如果我分别计算反应前后每种原子的数量，两边的数量会相同吗？」

试想想，如果某个反应开始时有 10 个氧原子，产物中会不会有 12 个氧原子？

不会。产物中的氧原子可以排列成不同的分子，但氧原子的数量不可能比反应开始时更多。产物中的氧原子必定来自反应物。

这个概念称为原子守恒。

02第一个思考模型：化学反应是原子的重新排列

从粒子的层面来看，化学反应并不是原子转变成其他种类的原子。

氢原子仍然是氢原子。碳原子仍然是碳原子。氧原子仍然是氧原子。

改变的是它们的排列方式。

例如，当氢气与氧气反应时：

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

反应前：

• 氢原子彼此结合，形成氢分子
• 氧原子彼此结合，形成氧分子

反应后：

• 相同的氢原子和氧原子结合，形成水分子

这条方程式并不是说氢原子会变成氧原子，也不是说会出现新的氧原子。它表示原本存在的原子重新排列了。

一个有用的类比是学校里的朋友圈重新组合。想像四个氢原子和两个氧原子是学生，他们重新分组。每个人都没有改变，但他们所属的小组改变了。这个类比并不完全准确，因为原子不会自行选择、沟通，也不会有意识地四处移动。化学反应是由能量变化和粒子之间的相互作用所控制的。

03为甚么化学方程式可能会意外违反这个规则？

化学方程式有两个作用：

1. 显示哪些物质会参与反应，以及会形成哪些物质
2. 显示反应涉及的粒子数量是否正确

化学式会告诉你每种物质由甚么组成。

例如：

\[ \ce{H2O} \]

表示每个水分子包含：

• 2 个氢原子
• 1 个氧原子

元素符号后面的小数字称为下标。它表示一个分子内含有多少个该元素的原子。

化学式前面的大数字称为系数。它表示反应涉及多少个该物质的粒子。

比较以下两者：

\[ \ce{2H2O} \]

与

\[ \ce{H2O2} \]

它们并不相同。

\(\ce{2H2O}\) 表示两个水分子：

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

\(\ce{H2O2}\) 表示一个过氧化氢分子：

• 氢原子：2
• 氧原子：2

由于系数和下标的意义不同，计算原子的方式也不同。

04平衡化学方程式：恢复原子守恒

当化学方程式尚未平衡时，化学式通常是正确的，但每种原子的数量并不正确。

以甲烷燃烧为例：

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

计算原子数量。

碳原子守恒，但氢原子和氧原子并不守恒。

解决方法不是更改化学式。例如，把 \(\ce{H2O}\) 改成 \(\ce{H4O}\) 会产生另一种物质。相反，我们应该改变系数。

平衡后的方程式是：

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

现在再次计算：

每种元素都守恒。

05简化模型：质量又如何？

在 HSC 课程的程度中，原子守恒通常会与质量守恒联系起来。

如果原子没有被创造或摧毁，那么在封闭系统中，这些原子的总质量也必须保持不变。

不过，系统的范围很重要。

如果你在开放容器中燃烧镁，测量到的质量可能会增加：

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

学生可能会预测：

「我一开始唯一的固体是镁，所以产物的质量应该会减少。」

这个预测听起来合理，因为镁确实正在明显地发生变化。但空气中的氧气也与镁结合了。增加的质量来自进入系统的氧原子。

守恒定律从来没有被违反。学生只是没有把所有反应物都计算在内。

08关于原子守恒的常见误解

「产生气体时，原子会消失」

例如，酸与碳酸盐的反应可以产生二氧化碳气体：

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

学生可能会认为，固体碳酸盐「失去」了一些原子，因为气泡离开了。

原子并没有消失。碳酸盐中的碳原子和氧原子重新排列，形成二氧化碳分子，并随气体离开溶液。

如需更多例子，请参阅酸与碳酸盐的反应：预测产物和平衡化学方程式。

「可以改变化学式中的数字来平衡原子」

这是最重要的陷阱之一。

你不能因为需要更多氧原子，就把：

\[ \ce{CO2} \]

改成：

\[ \ce{CO3} \]

\(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO3}\) 代表不同的物质。

平衡化学方程式时，应该改变系数，而不是下标。

09问题与解答

问题 1

一名学生写下以下方程式：

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

解释原子是否守恒，并写出平衡后的化学方程式。

解答 1

这条方程式尚未平衡，因为氧原子并不守恒。

反应物含有：

• 氢：\(2\) 个原子
• 氧：\(2\) 个原子

产物含有：

• 氢：\(2\) 个原子
• 氧：\(1\) 个原子

氢原子守恒，但其中一个氧原子似乎消失了。正确的平衡方程式是：

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

现在两边的总数是：

• 氢：两边各有 \(4\) 个原子
• 氧：两边各有 \(2\) 个原子

关键概念是，系数改变了水分子的数量，因此可以把原本存在的氧原子全部计算在内。

问题 2

一份碳酸钙样本与盐酸反应：

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

解释为甚么碳酸钙中的碳原子并没有被摧毁，即使固体消失并产生气体。

解答 2

碳原子重新排列，形成二氧化碳分子。

反应物碳酸钙的每个化学式单位都含有一个碳原子：

\[ \ce{CaCO3} \]

产物二氧化碳的每个分子也含有一个碳原子：

\[ \ce{CO2} \]

固体之所以消失，是因为粒子现在以不同的方式排列，形成其他物质。碳原子并没有被摧毁，而是成为二氧化碳的一部分，进入气相。

常见的错误是把「固体消失」与「原子流失」联系起来。物质外观的改变并不代表原子消失了。

问题 3

一名学生在氧气中燃烧 \(10.0\ \text{g}\) 的镁。产生的氧化镁质量为 \(16.6\ \text{g}\)。

学生说：「原子守恒定律失效了，因为产物的质量增加了。」

解释为甚么这名学生的结论不正确。

解答 3

这个结论不正确，因为空气中的氧原子已成为氧化镁的一部分。

反应方程式是：

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

镁原子原本已经存在，但氧原子从周围环境进入系统。

质量增加了：

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

这 \(6.6\ \text{g}\) 代表与镁反应的氧的质量。

守恒原理只适用于所考虑系统内包含的原子。如果忽略来自空气的氧，计算结果看起来就像是质量凭空出现。

问题 4

有人提出以下两条可能的方程式，用来表示水的形成。

模型 A：

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

模型 B：

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

一名学生认为模型 A 比较好，因为它使用较少的分子。判断哪个模型在化学上有效，并解释原因。

解答 4

模型 B 在化学上是有效的，因为它符合每种原子的守恒。

模型 A 看起来比较简单，但它的原子数量不符合守恒：

反应物：

• 氢：\(2\)
• 氧：\(2\)

产物：

• 氢：\(2\)
• 氧：\(1\)

其中一个氧原子在产物中找不到对应的原子。

模型 B 的原子数量如下：

反应物：

• 氢：\(2 \times 2 = 4\)
• 氧：\(2\)

产物：

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

这里的陷阱是认为最短的方程式必然是最好的方程式。化学方程式首先必须符合原子守恒，其次才考虑简洁性。

问题 5

一个密封容器内含有甲烷和氧气。反应完全后，容器内只剩下二氧化碳和水蒸气。

一名学生测量最终物质，得出以下结果：

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

反应前，所有碳原子和氢原子都来自甲烷。氧原子则只来自氧气。

求反应前氧气中氧原子的数量，并解释你的推理。

解答 5

氧气最初含有 \(1.5 \times 10^{23}\) 个氧原子。

原因是氧原子具有守恒性，而产物中的氧原子唯一的来源就是氧气反应物。

一种看似合理的方法，是尝试根据二氧化碳分子和水分子的数量，推算最初的氧原子数量。这种方法可行，但在这里并无必要，因为题目已提供反应后氧原子的总数，并说明没有其他氧原子来源。

由于容器是密封的，没有氧原子进入或离开。因此：

\[ \text{反应前的氧原子数量} = \text{反应后的氧原子数量} \]

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

更深层的概念是，守恒定律是对整个系统施加的限制。原子可以在不同分子和物态之间移动，但每种元素的原子总数不会改变。

理解原子守恒，能让你更容易掌握化学的下一个步骤：预测产物，以及平衡更复杂的反应，包括燃烧反应、酸碱反应和沉淀反应。