合成反应：预测产物与配平方程式

把镁带放在氧气中燃烧，会得到白色固体氧化镁。最初的方程式看起来很简单：

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

继续阅读之前，先预测一下产物。氧以 \(\ce{O2}\) 的形式参与反应，那么产物应该是 \(\ce{MgO2}\) 吗？

不是。产物是 \(\ce{MgO}\)。这个小小的差别正好揭示了合成反应中的主要技巧：你必须先判断正确的化学式，然后才配平方程式。如果先尝试配平，很容易为了让方程式成立，而写出一个实际上并不存在于你所写形式中的化合物。

01合成反应真正表示的是甚么

当两种或以上的反应物结合，形成一种产物物质时，就会发生合成反应。

基本模式是：

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

这里的 \(A\) 和 \(B\) 只是代表反应物。它们并不是说一个 \(A\) 粒子必须恰好与一个 \(B\) 粒子结合。

可以用一个有点滑稽的比喻来想像：两个人分别到达学校舞会，最后以一对情侣的身分一起离开。这个比喻有用的地方，是原本分开的群体结合成了一个新的群体。不过，这个比喻很快就会失效。原子不一定以一比一的比例结合，而比例取决于化学结构；对离子化合物而言，还取决于电荷。

例如：

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

反应物有两种物质：钠和氯，但产物物质只有一种：氯化钠。

请注意，产物前面的系数是 2。这不代表有两种不同的产物。两个化学式单位仍然都是同一种物质 \(\ce{NaCl}\)。

合成反应是一种模式，而不是保证

辨认这种模式很有用，但不要过度套用。

看到左边有两种物质，并不能证明它们一定会发生反应；知道某个反应属于合成反应，也不一定能告诉你确切的产物。有些元素可以形成多种化合物，而产物也可能取决于反应条件。

所以真正有用的问题不只是：

「有两种反应物吗？」

而是：

「这些反应物是否会结合形成一种可以确定身分的产物，而且我是否有足够的化学资讯来判断它的化学式？」

后面会看到，第二个问题非常重要。

02先写化学式，再配平

假设铝与氧反应。

一个常见错误是看到 \(\ce{O2}\)，便立即尝试让每个铝原子接上两个氧原子。这可能会写出 \(\ce{AlO2}\)。

但 \(\ce{O2}\) 描述的是反应前的单质氧。它并没有告诉你新化合物中铝与氧的比例。

对离子产物而言，这个比例由电荷决定。

铝通常形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\) 离子。氧化物离子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。

正、负电荷的总和必须平衡。能做到这一点的最小组合是：

• 2 个铝离子：总电荷为 \(+6\)
• 3 个氧化物离子：总电荷为 \(-6\)

因此化学式是：

\[ \ce{Al2O3} \]

只有在先把这个化学式写正确之后，才应该配平完整方程式。

因此可以使用以下实用的判断顺序：

1. 辨认最可能的产物。
2. 写出它正确的化学式。
3. 写出未配平的方程式。
4. 只使用系数来配平。
5. 数清楚每一种原子的数目，检查答案。

这个次序很重要。

03预测常见的合成反应产物

在十一年级化学中较简单的合成反应里，反应物的种类通常能为产物提供很强的线索。

这些都是有用的模式，但不是普遍定律。例如，不是每一种金属氧化物都容易与水反应，而且有些元素可以形成几种不同的氧化物。

应根据题目提供的资讯、你对常见离子和化合物的知识，以及题目列明的任何反应条件来判断。

04不要忘记元素单质的双原子分子

有几种非金属以纯元素形式存在时，通常以含有两个原子的分子存在。

值得记住的是：

这会影响方程式中反应物一侧的写法。

例如，氯气是 \(\ce{Cl2}\)，不是 \(\ce{Cl}\)：

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

但当氯成为氯化钙的一部分后，\(\ce{CaCl2}\) 的化学式是由离子电荷决定，而不是由单质氯原本以 \(\ce{Cl2}\) 的形式存在所决定。

05系数和下标的作用完全不同

这个分别会造成大量的配平错误。

看看：

\[ \ce{2MgO} \]

\(\ce{MgO}\) 中的下标实际上表示每 1 个镁原子配有 1 个氧原子。下标是化合物身分的一部分。

系数 2 则表示有两个 \(\ce{MgO}\) 化学式单位。

改变系数会改变某种物质的数量。

改变下标则会改变物质本身。

例如：

• \(\ce{MgO}\) 是氧化镁。
• \(\ce{MgO2}\) 的组成不同，不能只因为它令方程式较容易配平，就用它来代替 \(\ce{MgO}\)。

因此，以下写法才是正确的：

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

要平衡两个氧原子，应在 \(\ce{MgO}\) 前面加上 2，而不是更改它的化学式。

Due to technical limitations, this figure may display incorrectly or contain inaccuracies. Please check key details against your course materials.

如果你对配平方程式背后的守恒概念仍不太稳固，值得先复习反应中的原子重新排列：HSC 化学指南。化学方程式之所以成立，是因为原子只是重新排列，而不是被创造或消灭。

范例：钙与氯反应

金属钙与氯气反应形成氯化钙。预测产物，并写出配平的化学方程式。

步骤 1：辨认产物类型。

钙是金属，氯是非金属，因此我们预期形成离子化合物。

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

步骤 2：判断产物的化学式。

一个 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 离子需要两个 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子，才能使总电荷为零。

因此，产物是：

\[ \ce{CaCl2} \]

步骤 3：正确写出反应物的化学式。

单质钙是 \(\ce{Ca}\)，而单质氯是双原子分子 \(\ce{Cl2}\)。

所以未配平的方程式是：

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

步骤 4：数原子。

两边各有：

• 1 个 Ca 原子
• 2 个 Cl 原子

因此方程式已经配平：

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

系数为 \(1:1:1\)。一份量的钙与相当的一份量氯分子反应，形成氯化钙。

范例：铝与氧反应

金属铝与氧气反应形成氧化铝。预测产物，并写出配平的化学方程式。

步骤 1：判断产物的化学式。

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

为了平衡电荷，需要 2 个铝离子和 3 个氧化物离子：

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

因此，氧化铝是：

\[ \ce{Al2O3} \]

步骤 2：写出未配平的方程式。

单质氧以 \(\ce{O2}\) 形式存在：

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

步骤 3：先配平氧。

每个 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 个氧原子，而每个 \(\ce{Al2O3}\) 化学式单位含有 3 个氧原子。

2 和 3 都能整除的最小数是 6。

因此使用 3 个 \(\ce{O2}\) 分子和 2 个 \(\ce{Al2O3}\) 化学式单位：

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

现在两边都有 6 个氧原子。

步骤 4：配平铝。

两个 \(\ce{Al2O3}\) 化学式单位含有 4 个铝原子，因此在铝前面加上 4：

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

现在方程式符合两种元素的守恒：

• Al：\(4 = 4\)
• O：\(6 = 6\)

重要的不是算术本身，而是把两项工作分开处理：离子电荷决定化学式 \(\ce{Al2O3}\)，然后再用系数平衡原子数目。

06为甚么一个合成反应也可以属于另一种类别

反应类别可以重叠。

镁的燃烧就是一个很好的例子：

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

它是合成反应，因为两种反应物结合形成一种产物物质。

它也可以描述为燃烧反应，因为镁与氧反应并释放能量。

因此，反应名称是对反应模式的描述。它们不一定是互相排斥的分类，不是每个反应都只能属于其中一类。

当题目要求你对某个分类作出解释时，这一点尤其重要。应指出方程式中符合该分类的相关特征，而不是只依赖反应名称。

07最容易犯的错误：为了容易配平而改变产物

假设题目给你：

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

有学生注意到左边的氧是两个一组，而右边是三个一组。于是他把产物改成 \(\ce{AlO2}\)，得到：

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

现在看起来容易配平多了。

算术确实变容易了，因为化学内容已经被改变了。

化学式不是可以随意调整的记帐工具。\(\ce{Al2O3}\) 表示氧化铝的组成。一旦这个化学式确定，配平时只能改变系数。

可以把下标想成一个人姓名的一部分，而系数则是有这个名字的人数。如果你需要三个叫 Alex 的人，你会写「3 个 Alex」，而不是把 Alex 改名为「Alex3」。这个比喻有点荒谬，但确实能说明两者的分别。

08当单靠模式无法预测产物时

假设一道题目说：

铁在合成反应中与氧反应。预测所形成氧化铁的确切化学式。

这里有一个问题。

铁可以形成超过一种氧化态的化合物。铁的氧化物包括 \(\ce{FeO}\)、\(\ce{Fe2O3}\) 和 \(\ce{Fe3O4}\)。单凭「铁与氧反应」这句话，并不能确定形成的是哪一种氧化物。

因此，不应只因为题目看起来符合熟悉的合成反应模式，就自行猜出一个产物。

如果题目改为告诉你形成的是氧化铁(III)，那么氧化态便提供了缺少的资讯。铁(III) 表示 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)，因此得到 \(\ce{Fe2O3}\)，配平后的方程式为：

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

这正是简单 \(A+B\rightarrow AB\) 模型的一项重要限制。它能帮助你辨认合成反应的结构，但真正的化学性质仍然决定 \(AB\) 实际上是甚么。

09考试时可靠的方法

当你需要预测并配平一个合成反应时，请依照以下顺序：

1. 正确辨认反应物。 记住 \(\ce{O2}\)、\(\ce{N2}\) 和 \(\ce{Cl2}\) 等双原子元素分子。
2. 判断是否预期只形成一种产物物质。
3. 根据化学知识判断产物的化学式。 如果产物是离子化合物，使用离子的电荷来判断。
4. 配平时不要改变这个化学式。
5. 加入系数，直到每一种元素在方程式两边的原子数目相同。
6. 把系数化成最小整数比。
7. 检查你是否真的有足够资讯来预测产物。

最后一步可以避免把模式辨认变成纯粹猜测。

10题目与解答

题目 1

金属锂与溴反应形成溴化锂。预测产物的化学式，并写出配平的化学方程式。

解答 1

配平的方程式是：

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

锂形成 \(\mathrm{Li}^{+}\) 离子，而溴形成 \(\mathrm{Br}^{-}\) 离子，因此两种离子以 \(1:1\) 的比例结合。所以产物的化学式是 \(\ce{LiBr}\)。

单质溴是双原子分子，因此反应物必须写成 \(\ce{Br2}\)。由

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

开始，左边有两个溴原子，但右边只有一个。在 \(\ce{LiBr}\) 前面加上系数 2，然后再配平锂：

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

现在两边各有 2 个 Li 原子和 2 个 Br 原子。

题目 2

镁与氮气反应形成氮化镁。预测产物的化学式，并写出配平的化学方程式。

解答 2

产物是 \(\ce{Mg3N2}\)，配平的方程式是：

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

镁形成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，而氮化物离子是 \(\mathrm{N}^{3-}\)。

最小的相等正、负电荷总量是 6：

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

以及

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

因此三个镁离子与两个氮化物离子结合，得到 \(\ce{Mg3N2}\)。

单质氮本来就以 \(\ce{N2}\) 的形式存在。一个 \(\ce{Mg3N2}\) 化学式单位含有三个镁原子，所以 \(\ce{Mg}\) 前面需要系数 3。

\(3:1:1\) 的系数比描述的是反应物质的数量比例。\(\ce{Mg3N2}\) 中的下标 3 和 2 则描述化合物的组成。

题目 3

氧化钠按照合成反应与水反应，生成氢氧化钠。

写出配平的方程式。一名学生认为，因为配平后的方程式在产物前面有系数 2，所以它不可能是合成反应。解释这名学生是否正确。

解答 3

配平的方程式是：

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

这名学生的结论不正确。这仍然是合成反应，因为只有一种产物物质，也就是氢氧化钠。

配平前先数原子：

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

左边总共有 2 个 Na 原子、2 个 H 原子和 2 个 O 原子。在氢氧化钠前面加上系数 2：

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

现在两边都有：

• 2 个 Na 原子
• 2 个 H 原子
• 2 个 O 原子

系数 2 表示每进行一次符合化学计量比例的反应，会产生两个氢氧化钠化学式单位；若以宏观尺度计算，则是两莫耳氢氧化钠。它并不会产生第二种类型的产物。

陷阱在于混淆了产物粒子的数目和产物物质的种类数目。

题目 4

一名学生被要求写出铝与氧之间的反应。他写道：

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

他的方程式已经配平。解释为甚么它在化学上仍然不正确，并写出正确的配平方程式。

解答 4

这名学生的方程式在原子数目上已配平，但产物的化学式不正确。正确方程式是：

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

只有先把物质本身的化学式写正确，配平原子才有意义。

铝形成 \(\mathrm{Al}^{3+}\) 离子，而氧化物离子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)。因此，一个电中性的离子化合物需要两个铝离子和三个氧化物离子：

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

所以正确的化学式是 \(\ce{Al2O3}\)，而不是 \(\ce{AlO}\)。

由以下方程式开始：

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

取 2 和 3 的最小公倍数，即 6 个氧原子：

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

两个 \(\ce{Al2O3}\) 单位含有四个铝原子，因此得到：

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

陷阱在于以为只要方程式中的原子数量平衡，它在化学上就一定有效。原子守恒是必要条件，但各种物质的化学式也必须正确。

题目 5

一名化学家观察到某反应中只有铁和氧两种反应物，而且只收集到一种固体产物。

一名学生因此得出结论：由于这是合成反应，所以产物的化学式一定是 \(\ce{Fe2O3}\)。

这个结论有充分根据吗？如果之后的分析显示产物是氧化铁(III)，请写出配平的方程式。

解答 5

单凭已提供的资讯，最初的结论没有充分根据。如果之后确认产物是氧化铁(III)，配平的方程式是：

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

这项观察确实支持把反应归类为合成反应：两种反应物物质结合形成一种产物物质。

然而，这种模式并不能决定确切的化学式。铁可以有多于一种氧化态，也能形成多于一种氧化物。因此，只知道铁与氧发生反应，并不足以证明产物是 \(\ce{Fe2O3}\)。

一旦题目指定产物为氧化铁(III)，情况就不同了。铁(III) 对应 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)，而氧化物离子是 \(\mathrm{O}^{2-}\)，因此得到化学式 \(\ce{Fe2O3}\)。

未配平的方程式是：

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

配平后得到：

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

其中隐藏的重要假设，是以为反应的分类会自动决定铁的氧化态。事实并非如此。

题目 6

氮化镁的合成可表示为：

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

想像一个粒子模型，其中含有 8 个镁原子和 3 个氮分子。假设反应持续进行，直到其中一种反应物无法再继续反应。

最多可以形成多少个 \(\ce{Mg3N2}\) 化学式单位？还有哪些粒子没有反应？

解答 6

最多可以形成2 个 \(\ce{Mg3N2}\) 化学式单位。反应后，会剩下2 个 Mg 原子和 1 个 \(\ce{N2}\) 分子。

配平的方程式告诉我们所需的粒子比例：

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

形成每一个氮化镁化学式单位需要：

• 3 个 Mg 原子
• 1 个 \(\ce{N2}\) 分子

要形成 2 个化学式单位：

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

开始时有 8 个 Mg 原子和 3 个 \(\ce{N2}\) 分子，因此剩下：

\[ 8-6=2 \]

个 Mg 原子，以及

\[ 3-2=1 \]

个 \(\ce{N2}\) 分子。

若要形成第三个化学式单位，还需要另外 3 个 Mg 原子，但现在只剩下 2 个。因此，在这个粒子模型中，镁是限制反应物。

到了这一步，配平方程式的作用已经不只是把方程式整理整齐。系数提供了反应粒子之间的定量比例；之后，它们也会表示以莫耳计算时各反应物质之间的比例。这项连系正是从合成反应进一步学习化学计量和限制反应物计算的下一步。