醇的燃燒:配平 HSC 化學方程式
學習如何預測醇完全燃燒的產物,並可靠地配平化學方程式。內容包括例題、常見錯誤,以及具挑戰性的 HSC 類型問題與完整解答。
一瓶液體標示為 1-丙醇,\(\ce{C3H7OH}\)。你在充足的氧氣中將它燃燒。你知道應該會生成二氧化碳和水,但 \(\ce{O2}\) 前面的係數應該是多少?
在計算之前,先作一個預測。因為這是燃燒反應,所以應該先配平氧嗎?聽起來很合理,但這通常反而會令方程式更難配平。氧是唯一從兩個來源進入反應的元素:醇本身已經含有氧,而額外的氧則以 \(\ce{O2}\) 的形式加入。可靠的做法是把氧留到最後才配平。
01完全燃燒實際上在做甚麼
當醇發生完全燃燒時,氧氣供應充足,因此:
- 每個碳原子最終都會進入二氧化碳 \(\ce{CO2}\)
- 每個氫原子最終都會進入水 \(\ce{H2O}\)
所以基本模式是:
\[ \ce{alcohol + O2 -> CO2 + H2O} \]
這樣你便可以立即判斷產物。下一步才是配平。
想像原子被重新分配。碳只有一個去處:\(\ce{CO2}\)。氫也只有一個去處:\(\ce{H2O}\)。氧比較麻煩,因為一部分氧已經存在於醇分子之中。
可以用一個有點傻氣的比喻來想像:一群人來到派對,其中一個氧原子已經跟醇一起到場,而額外的氧氣「客人」則以 \(\ce{O2}\) 成雙成對地到來。在知道所有產物總共需要多少個氧原子之前,你無法算出還需要多少對氧氣「客人」。
比喻到此為止。真實的原子不是會自行選擇站在哪裡的客人。燃燒時,化學鍵會斷裂、新的化學鍵會形成,並釋放能量。
02預測產物
對於 HSC 課程中所學醇類的完全燃燒,產物規則是:
\[ \ce{alcohol + O2 -> CO2 + H2O} \]
不要因為一氧化碳也是可能的燃燒產物,就把 \(\ce{CO2}\) 換成 \(\ce{CO}\)。一氧化碳與不完全燃燒有關,也就是氧氣供應不足的情況。
同樣地,如果題目明確說明是完全燃燒,也不應在方程式中加入固體碳,也就是煤煙,作為產物。
「完全」這兩個字在這裡非常重要。
醇本身已含有的氧怎麼辦?
以乙醇 \(\ce{C2H5OH}\) 為例。它含有:
- 2 個碳原子
- 6 個氫原子
- 1 個氧原子
因此,產物需要 2 個 \(\ce{CO2}\) 分子和 3 個 \(\ce{H2O}\) 分子:
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
計算右方的氧原子數:
- \(2\ce{CO2}\) 含有 \(4\) 個氧原子
- \(3\ce{H2O}\) 含有 \(3\) 個氧原子
- 總數 \(=7\) 個氧原子
乙醇本身已經含有一個氧原子。其餘六個必須由 \(\ce{O2}\) 提供:
\[ 6\text{ 個氧原子} = 3\ce{O2} \]
所以:
\[ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
這就是為甚麼不能只把產物中的七個氧原子除以二。如果這樣做,就等於假裝乙醇內的氧原子不存在。
03配平醇燃燒方程式的可靠方法
按以下次序進行:
- 寫出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\) 作為產物。
- 配平碳。
- 配平氫。
- 計算產物一方所需的氧原子總數。
- 減去醇本身已含有的氧,再配平 \(\ce{O2}\)。
- 如有需要,把所有係數同乘相同的數,以消除分數。
- 檢查每一種元素。
先碳、再氫、最後氧並不是甚麼神奇定律。這只是最有效率的次序,因為氧同時出現在兩種反應物中。
絕對不要為了配平方程式而改變化學式。你可以改變化學式前面的係數,但不能改變化學式內的下標。
例如,把 \(\ce{CO2}\) 改成 \(\ce{CO3}\) 並不是在配平,而是在創造另一種物質。
例題:1-丙醇的完全燃燒
寫出 1-丙醇 \(\ce{C3H7OH}\) 完全燃燒的配平方程式。
步驟 1
完全燃燒會生成二氧化碳和水:
\[ \ce{C3H7OH + O2 -> CO2 + H2O} \]
步驟 2
1-丙醇中有三個碳原子,因此生成三個二氧化碳分子:
\[ \ce{C3H7OH + O2 -> 3CO2 + H2O} \]
步驟 3
\(\ce{C3H7OH}\) 總共有八個氫原子。四個水分子含有八個氫原子:
\[ \ce{C3H7OH + O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
步驟 4
產物含有:
\[ 3(2)+4(1)=10 \]
個氧原子。
每個 1-丙醇分子本身已經含有一個氧原子。因此,\(\ce{O2}\) 需要再提供九個氧原子:
\[ \frac{9}{2}\ce{O2} \]
所以,一個配平的方程式是:
\[ \ce{C3H7OH + \frac{9}{2}O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
分數係數在化學上是有意義的,但學校中的方程式通常會用最小整數係數表示。把每個係數都乘以二:
\[ \ce{2C3H7OH + 9O2 -> 6CO2 + 8H2O} \]
檢查:
- 碳:\(6=6\)
- 氫:\(16=16\)
- 氧:\(2+18=20\),而 \(12+8=20\)
方程式已配平。
04飽和一元醇的一般方程式
常見的飽和、非環狀醇同系物可寫成:
\[ \ce{C_nH_{2n+2}O} \]
其中,\(n\) 是碳原子的數目。
對一莫耳這種醇而言:
- \(n\) 個碳原子生成 \(n\) 莫耳 \(\ce{CO2}\)
- \(2n+2\) 個氫原子生成 \(n+1\) 莫耳 \(\ce{H2O}\)
先寫成:
\[ \ce{C_nH_{2n+2}O + O2 -> nCO2 + (n+1)H2O} \]
產物含有:
\[ 2n+(n+1)=3n+1 \]
個氧原子。
醇本身已提供一個氧原子,所以 \(\ce{O2}\) 必須提供 \(3n\) 個氧原子。由於每個 \(\ce{O2}\) 分子含有兩個氧原子,因此氧氣的係數為:
\[ \frac{3n}{2} \]
所以:
\[ \ce{C_nH_{2n+2}O + \frac{3n}{2}O2 -> nCO2 + (n+1)H2O} \]
如果希望對所有 \(n\) 值都使用整數係數,可以把整條方程式乘以二:
\[ \ce{2C_nH_{2n+2}O + 3nO2 -> 2nCO2 + 2(n+1)H2O} \]
這條方程式是一個很有用的捷徑,但只有當該醇確實符合 \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\) 這個化學式時才適用。如果題目給出的是不同的分子式,應直接配平該分子式,而不要硬套這個捷徑。
例題:由方程式求反應物質的量
2-丁醇的分子式為 \(\ce{C4H10O}\)。一份含有 \(0.180\ \text{mol}\) 2-丁醇的樣品發生完全燃燒。求所消耗的 \(\ce{O2}\) 的物質的量,以及生成的 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\) 的物質的量。
步驟 1
有四個碳原子,所以生成四個二氧化碳分子。有十個氫原子,所以生成五個水分子:
\[ \ce{C4H10O + O2 -> 4CO2 + 5H2O} \]
產物含有:
\[ 4(2)+5(1)=13 \]
個氧原子。
其中一個來自醇,因此剩下十二個必須由 \(\ce{O2}\) 提供。這需要六個 \(\ce{O2}\):
\[ \ce{C4H10O + 6O2 -> 4CO2 + 5H2O} \]
步驟 2
方程式告訴我們:
\[ 1\text{ mol 醇}:6\text{ mol }\ce{O2}:4\text{ mol }\ce{CO2}:5\text{ mol }\ce{H2O} \]
步驟 3
\[ n(\ce{O2})=0.180\times6=1.08\ \text{mol} \]
步驟 4
\[ \begin{aligned} n(\ce{CO2})&=0.180\times4=0.720\ \text{mol}\\ n(\ce{H2O})&=0.180\times5=0.900\ \text{mol} \end{aligned} \]
因此,\(0.180\ \text{mol}\) 的 2-丁醇會消耗 \(1.08\ \text{mol}\) 的氧氣,並生成 \(0.720\ \text{mol}\) 的二氧化碳和 \(0.900\ \text{mol}\) 的水。
這些係數不只是用來令原子數看起來整齊。它們描述了反應物與產物之間的莫耳比。
05值得留意的規律
對飽和一元醇 \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\) 而言,一莫耳會生成或消耗:
| 量 | 每莫耳醇所對應的量 |
|---|---|
| \(\ce{CO2}\) | \(n\ \text{mol}\) |
| \(\ce{H2O}\) | \((n+1)\ \text{mol}\) |
| 消耗的 \(\ce{O2}\) | \(\frac{3n}{2}\ \text{mol}\) |
這個表格中隱藏着一個很有用的結果:
\[ n(\ce{H2O})-n(\ce{CO2})=1\text{ mol,每 mol 醇} \]
例如,一莫耳丙醇會生成三莫耳 \(\ce{CO2}\) 和四莫耳 \(\ce{H2O}\)。一莫耳戊醇則會分別生成五莫耳和六莫耳。
當你利用燃燒數據反推原來是哪種醇時,這個關係會出乎意料地有用。
06最容易犯的錯誤
| 容易令人心動的做法 | 為甚麼不行 | 較好的做法 |
|---|---|---|
| 先配平氧 | 氧同時出現在醇和 \(\ce{O2}\) 中 | 先配平 C,再配平 H,最後配平 O |
| 忽略醇內本身的氧 | 會算出過多外來的 \(\ce{O2}\) | 先計算所有產物中的 O 原子,再減去醇提供的 O |
| 完全燃燒時使用 \(\ce{CO}\) | \(\ce{CO}\) 表示不完全燃燒 | 使用 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\) |
| 改變下標 | 這會改變物質本身 | 只改變係數 |
| 假設不同的醇異構物一定有不同的燃燒方程式 | 燃燒化學計量取決於分子式 | 分子式相同的異構物具有相同的配平燃燒方程式 |
| 把係數當成質量 | 係數表示粒子數比和莫耳比 | 如有需要,另行換算成質量 |
異構物這一點很容易被忽略。1-丙醇和 2-丙醇的結構不同,但兩者的分子式都是 \(\ce{C3H8O}\)。因此,它們的完全燃燒方程式具有相同的化學計量係數。
燃燒數據可以告訴你很多有關元素組成的資訊,但單憑燃燒數據,無法告訴你 \(\ce{-OH}\) 基團位於碳鏈的哪個位置。
07物態符號又怎麼辦?
配平方程式的方法不取決於物態符號,但在其他情境中,物態可以很重要。
例如,在標準燃燒焓方程式中,物質會以其標準狀態表示,因此水通常寫作 \(\ce{H2O(l)}\)。然而,在高溫火焰中,剛生成的水一開始可能是氣態。
如果題目給出了實驗條件,就應使用那些條件。當討論能量變化時,不要把 \(\ce{H2O(l)}\) 和 \(\ce{H2O(g)}\) 當成可以互換。
當你從配平方程式進一步學習醇的燃燒焓時,這個分別就會變得重要。
08問題與解答
問題 1
使用最小整數係數,寫出甲醇 \(\ce{CH3OH}\) 完全燃燒的配平方程式。
解答 1
配平方程式為:
\[ \ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O} \]
甲醇含有一個碳原子,所以一個甲醇分子生成一個 \(\ce{CO2}\)。它含有四個氫原子,因此生成兩個 \(\ce{H2O}\):
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O} \]
產物含有四個氧原子。甲醇提供其中一個,所以另外三個必須來自 \(\ce{O2}\):
\[ \frac{3}{2}\ce{O2} \]
因此得到:
\[ \ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O} \]
把每個係數都乘以二,就得到最小整數形式。
最容易犯的錯誤是因為產物中有四個氧原子,就使用兩個 \(\ce{O2}\)。這樣做忽略了甲醇本身已含有的那個氧原子。
問題 2
1-戊醇的分子式為 \(\ce{C5H12O}\)。
一份 \(0.250\ \text{mol}\) 的樣品發生完全燃燒。
求:
a. 使用整數係數的配平燃燒方程式
b. 消耗的 \(\ce{O2}\) 的物質的量
c. 生成的 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\) 的物質的量
解答 2
配平方程式為 \(\ce{2C5H12O + 15O2 -> 10CO2 + 12H2O}\),而 \(0.250\ \text{mol}\) 的 1-戊醇會消耗 \(1.875\ \text{mol}\) 的 \(\ce{O2}\),並生成 \(1.25\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\) 和 \(1.50\ \text{mol}\) 的 \(\ce{H2O}\)。
對於 a 部分,先配平碳和氫:
\[ \ce{C5H12O + O2 -> 5CO2 + 6H2O} \]
產物含有:
\[ 5(2)+6=16 \]
個氧原子。
其中一個氧原子來自 1-戊醇,因此其餘十五個必須由 \(\ce{O2}\) 提供:
\[ \frac{15}{2}\ce{O2} \]
因此:
\[ \ce{C5H12O + \frac{15}{2}O2 -> 5CO2 + 6H2O} \]
整條方程式乘以二:
\[ \ce{2C5H12O + 15O2 -> 10CO2 + 12H2O} \]
對於 b 部分,一莫耳 1-戊醇會消耗 \(7.5\ \text{mol}\) 氧氣:
\[ n(\ce{O2})=0.250\times7.5=1.875\ \text{mol} \]
對於 c 部分:
\[ \begin{aligned} n(\ce{CO2})&=0.250\times5=1.25\ \text{mol}\\ n(\ce{H2O})&=0.250\times6=1.50\ \text{mol} \end{aligned} \]
陷阱在於把整數係數方程式理解成必須先把 \(0.250\ \text{mol}\) 的醇加倍。其實不需要。化學計量比可以化成每莫耳的形式:一莫耳 1-戊醇對應 \(7.5\) 莫耳氧氣、五莫耳二氧化碳和六莫耳水。
問題 3
一份 \(0.120\ \text{mol}\) 的純飽和一元醇樣品,其分子式為 \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\)。完全燃燒後生成 \(0.360\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。
求:
a. \(n\) 的值
b. 該醇的分子式
c. 配平的燃燒方程式
d. 生成的水的物質的量
e. 這些燃燒數據是否足以確定該醇是哪一種結構異構物
解答 3
該醇的 \(n=3\),分子式為 \(\ce{C3H8O}\);燃燒會生成 \(0.480\ \text{mol}\) 的水,但這些數據無法區分 1-丙醇和 2-丙醇。
對一莫耳 \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\) 而言,完全燃燒會生成 \(n\) 莫耳 \(\ce{CO2}\)。
因此:
\[ 0.120n=0.360 \]
所以:
\[ n=\frac{0.360}{0.120}=3 \]
因此分子式為:
\[ \ce{C3H8O} \]
其完全燃燒方程式先寫成:
\[ \ce{C3H8O + O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
產物含有十個氧原子。其中一個來自醇,因此九個必須來自氧氣:
\[ \ce{C3H8O + \frac{9}{2}O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
使用整數係數:
\[ \ce{2C3H8O + 9O2 -> 6CO2 + 8H2O} \]
生成的水為:
\[ n(\ce{H2O})=0.120\times4=0.480\ \text{mol} \]
一個很容易產生的錯誤結論是:既然已確定 \(\ce{C3H8O}\),就等於已確定是哪一種物質。其實不是。1-丙醇和 2-丙醇具有相同的分子式,因此兩者完全燃燒時的莫耳比相同。
在這裡,燃燒揭示的是組成,而不是分子結構。
問題 4
一個混合物只含甲醇 \(\ce{CH3OH}\) 和 1-丙醇 \(\ce{C3H7OH}\)。
該混合物完全燃燒後,生成 \(0.180\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\) 和 \(0.280\ \text{mol}\) 的 \(\ce{H2O}\)。
求:
a. 原來存在的甲醇的物質的量
b. 原來存在的 1-丙醇的物質的量
c. 消耗的 \(\ce{O2}\) 總物質的量
解答 4
混合物含有 \(0.060\ \text{mol}\) 的甲醇和 \(0.040\ \text{mol}\) 的 1-丙醇,並消耗了 \(0.270\ \text{mol}\) 的 \(\ce{O2}\)。
關鍵不是一開始就猜混合物的百分比組成,而是先利用兩種醇不同的燃燒規律。
對甲醇:
\[ \ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O} \]
對 1-丙醇:
\[ \ce{C3H7OH + \frac{9}{2}O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
設 \(x\) 為甲醇的物質的量,以莫耳表示;\(y\) 為 1-丙醇的物質的量,以莫耳表示。
由二氧化碳可得:
\[ x+3y=0.180 \]
由水可得:
\[ 2x+4y=0.280 \]
這些方程式中其實藏着一個簡潔的捷徑。用水的物質的量減去二氧化碳的物質的量:
\[ 0.280-0.180=0.100\ \text{mol} \]
對每一種飽和一元醇而言,一莫耳醇生成的水都恰好多於二氧化碳一莫耳。因此:
\[ x+y=0.100 \]
現在把它與以下方程式結合:
\[ x+3y=0.180 \]
相減得到:
\[ 2y=0.080 \]
所以:
\[ y=0.040\ \text{mol} \]
然後:
\[ x=0.100-0.040=0.060\ \text{mol} \]
現在計算氧氣消耗量。
每莫耳甲醇消耗 \(1.5\) 莫耳 \(\ce{O2}\):
\[ n(\ce{O2,\ 甲醇})=0.060\times1.5=0.090\ \text{mol} \]
每莫耳 1-丙醇消耗 \(4.5\) 莫耳 \(\ce{O2}\):
\[ n(\ce{O2,\ 丙醇})=0.040\times4.5=0.180\ \text{mol} \]
因此:
\[ n(\ce{O2,\ 總量})=0.090+0.180=0.270\ \text{mol} \]
一個容易令人誤入歧途的做法,是把 \(0.180\ \text{mol}\) 的二氧化碳當成全部來自一種純醇。這樣會丟掉題目中最重要的條件:兩種不同的醇都對同一批測量到的產物作出了貢獻。
問題 5
一份 \(100\ \text{mL}\) 的飽和一元醇蒸氣樣品 \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\),與 \(600\ \text{mL}\) 的氧氣混合。除非另有說明,假設所有被比較的氣體體積都是在相同溫度和壓力下量度,因此氣體體積比等於莫耳比。
該醇發生完全燃燒。
當產物仍然足夠熱,使所有水都保持為蒸氣時,氣體總體積為 \(850\ \text{mL}\)。
然後將氣體冷卻,使水凝結。當剩餘的乾燥氣體在原來的溫度和壓力下量度時,其總體積為 \(450\ \text{mL}\)。
求:
a. \(n\) 和該醇的分子式
b. 消耗的氧氣體積
c. 燃燒後立即存在的 \(\ce{CO2}\)、水蒸氣和過量 \(\ce{O2}\) 的體積
d. 為甚麼不能直接把 \(450\ \text{mL}\) 的乾燥氣體讀數當成 \(450\ \text{mL}\) 的二氧化碳
e. 燃燒結果是否能確定該醇是哪一種結構異構物
解答 5
該醇的 \(n=3\),分子式為 \(\ce{C3H8O}\);消耗了 \(450\ \text{mL}\) 的氧氣,生成 \(300\ \text{mL}\) 的 \(\ce{CO2}\) 和 \(400\ \text{mL}\) 的水蒸氣,並剩下 \(150\ \text{mL}\) 的氧氣。因此,乾燥後的 \(450\ \text{mL}\) 是二氧化碳和過量氧氣的混合物,而不是純二氧化碳。
對飽和一元醇而言:
\[ \ce{C_nH_{2n+2}O + \frac{3n}{2}O2 -> nCO2 + (n+1)H2O} \]
因此,一份 \(100\ \text{mL}\) 的樣品需要:
\[ 100\left(\frac{3n}{2}\right)=150n\ \text{mL} \]
的氧氣。
它會生成:
\[ 100n\ \text{mL} \]
的二氧化碳,以及:
\[ 100(n+1)\ \text{mL} \]
的水蒸氣。
由於供應了 \(600\ \text{mL}\) 的氧氣,因此過量氧氣的體積為:
\[ 600-150n \]
所以,高溫產物氣體的總體積為:
\[ 100n+100(n+1)+(600-150n) \]
化簡:
\[ 850=100n+100n+100+600-150n \]
\[ 850=700+50n \]
所以:
\[ 50n=150 \]
因此:
\[ n=3 \]
所以該醇的分子式為:
\[ \ce{C3H8O} \]
其配平的完全燃燒方程式為:
\[ \ce{2C3H8O + 9O2 -> 6CO2 + 8H2O} \]
對 \(100\ \text{mL}\) 的醇蒸氣而言,消耗的氧氣為:
\[ 100\times\frac{9}{2}=450\ \text{mL} \]
二氧化碳的體積為:
\[ 100\times3=300\ \text{mL} \]
水蒸氣的體積為:
\[ 100\times4=400\ \text{mL} \]
剩餘的氧氣為:
\[ 600-450=150\ \text{mL} \]
燃燒後立即量度,而且水仍為氣態時:
\[ 300+400+150=850\ \text{mL} \]
與觀察結果相符。
冷卻後,由於水蒸氣凝結,原本由水蒸氣貢獻的 \(400\ \text{mL}\) 會從氣相中消失。剩下的乾燥氣體為:
\[ 300\ \text{mL }\ce{CO2}+150\ \text{mL }\ce{O2}=450\ \text{mL} \]
這裡是整道題的概念關鍵。學生可能看到 \(450\ \text{mL}\) 的乾燥氣體,就假設它全都是二氧化碳。只有在所供應的氧氣全部被消耗時,這個假設才成立。這裡則是刻意加入過量氧氣。
燃燒數據同樣無法區分 1-丙醇和 2-丙醇。兩者的分子式都是 \(\ce{C3H8O}\),因此具有相同的燃燒化學計量關係。
額外的氣體量度提供了更多有關物質的量的資訊,但仍然不能揭示原來分子中的原子是如何連接的。
09這讓你接下來可以做甚麼
一旦你能夠預測產物並在不靠猜測的情況下配平方程式,燃燒計算就會變得更加機械化:質量、莫耳數、氣體體積和限制反應物問題,全都源自同一組係數。
下一個重要步驟,是理解配平方程式會告訴你各物質反應多少,卻不會告訴你釋放多少能量。這需要燃燒焓數據,並且要仔細留意物態,尤其是 \(\ce{H2O(l)}\) 和 \(\ce{H2O(g)}\) 之間的差異。醇的燃燒焓正是在這裡直接延續本文所使用的方程式配平方法。