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。
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：
- 先配平碳
- 再配平氢
- 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。