分解反應：在 HSC 化學中預測生成物

將一塊石灰石加熱到足夠高的溫度，它的質量會減少。沒有任何東西被刮走，而固體也不只是熔化了。那麼，消失的質量去了哪裡？

在繼續閱讀之前，先預測生成物。石灰石的主要成分是碳酸鈣，\(\ce{CaCO3}\)。如果加熱使它分解，之後哪些原子仍然必須存在？

鈣、碳和氧原子不可能消失。相反，它們會重新排列成氧化鈣和二氧化碳：

\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]

二氧化碳以氣體形式逸出，因此留下的固體質量較小。這是一個分解反應：一種化合物分解成兩種或更多較簡單的物質。

這個基本概念很容易理解。真正有用的技能，是能夠辨認何時正在發生分解反應，更重要的是，預測應該形成哪些生成物。

01心智模型：一個結構分解開來

把化合物想像成一組以特定排列方式連接的原子。分解反應以一種化合物作為起點，並將其中的原子重新排列成兩種或更多生成物。

簡化的模式是：

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

例如，過氧化氫會分解成水和氧氣：

\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]

重要的特徵並不是每種化合物真的都會分裂成稱為 A 和 B 的兩部分，而是一種反應物會產生多種生成物。

一個稍微有點滑稽的想像方式，是把它看成一對伴侶決定分開對彼此更好。反應前只有一段關係；反應後則有多個彼此獨立的個體。這個比喻有助於理解整體方向，也就是一樣東西變成多樣東西，但化學比談戀愛嚴格得多。原子不能突然「斷聯」後消失。反應前存在的每一個原子，在反應後都必須能夠交代其去向。

這種原子守恆的概念，在反應中的原子重新排列中有更詳細的說明。

02如何辨認分解反應

首先觀察方程式的反應物一側。

分解反應通常具有：

• 一種化合物作為化學反應物
• 兩種或更多生成物
• 在許多情況下需要輸入能量，例如熱、光或電

例如：

\[ \ce{2HgO(s) -> 2Hg(l) + O2(g)} \]

一種化合物–氧化汞(II)–形成兩種較簡單的物質。

與下面的反應比較：

\[ \ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)} \]

這不是分解反應。兩種反應物結合形成一種生成物，因此它符合相反的整體模式，也就是合成反應。你可以在合成反應：預測生成物與配平方程式中比較這兩種反應類型。

因此，一個有用的初步判斷規則是：

這是一項辨認規則，而不是完整的解釋。實際的方程式可能包含催化劑、寫在箭頭上方的反應條件，或多種生成物。你仍然需要運用化學知識來預測究竟會形成哪些生成物。

03能量往往會使化合物分解

許多化合物在未獲得能量之前都很穩定。

造成分解的三種常見方式是：

• 熱分解：由加熱提供能量
• 光分解：由光提供能量
• 電解分解：由電能驅動反應

例如，碳酸鈣會發生熱分解：

\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]

氯化銀在受到光照時可以分解：

\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)} \]

水可以利用電能分解：

\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)} \]

請注意一個重要事項。**熱、光和電並不是額外的化學反應物。**它們是向系統提供能量。

這表示，即使反應箭頭附近出現「加熱」之類的條件，該方程式仍然可以表示分解反應。

04預測生成物：不要只是把化學式拆開

假設題目給你：

\[ \ce{CaCO3 -> ?} \]

一個很誘人的方法，是看著化學式，想辦法把它切成幾部分：

\[ \ce{CaCO3 -> Ca + C + O3} \]

這馬上就有問題。\(\ce{O3}\) 是臭氧，而沒有理由認為碳酸鈣會直接分解成其書寫化學式所暗示的那些部分。

化學式告訴你的是組成，並不會自動告訴你反應的生成物。

因此，預測生成物需要兩個概念：

1. 辨認化合物的類型
2. 知道該類化合物的典型分解行為

然後再配平方程式。

不要先配平，然後期待生成物自己顯現出來。配平只能調整係數，不能告訴你應該存在哪些物質。

05模式 1：許多金屬碳酸鹽會形成金屬氧化物和二氧化碳

一個非常有用的熱分解模式是：

\[ \text{金屬碳酸鹽} \rightarrow \text{金屬氧化物} + \text{二氧化碳} \]

以碳酸鈣為例：

\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]

檢查原子數。

這個方程式已經配平。

以碳酸銅(II)為例：

\[ \ce{CuCO3(s) -> CuO(s) + CO2(g)} \]

同樣地，碳酸鹽會生成相應的金屬氧化物和二氧化碳。

這個模式很有用，但它並不表示你可以宣稱所有碳酸鹽都會在相同條件下分解。不同化合物的熱穩定性並不相同。在 HSC 的生成物預測題中，應根據題目提供的反應資訊和化學情境作答，而不要把某個模式當成普遍定律。

06模式 2：金屬碳酸氫鹽可以形成碳酸鹽、二氧化碳和水

碳酸氫鹽的分解模式稍微不那麼直觀。

例如，加熱碳酸氫鈉會產生：

\[ \ce{2NaHCO3(s) -> Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)} \]

這裡有三種生成物，而不是兩種。

這很好地提醒我們，「分解」並不表示「一種化合物剛好分成兩半」。它只表示一種化合物轉化成多種較簡單的物質。

在查看原子數之前，先嘗試預測 \(\ce{NaHCO3}\) 前面的係數。

如果你寫的係數是 1，鈉原子就無法配平，因為 \(\ce{Na2CO3}\) 含有兩個鈉原子。因此我們需要 2：

所有原子都守恆。

07模式 3：有些化合物會釋放氧氣

有幾種重要的分解反應會產生氧氣。

過氧化氫就是其中一個例子：

\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]

金屬氯酸鹽也可以分解成金屬氯化物和氧氣。以氯酸鉀為例：

\[ \ce{2KClO3(s) -> 2KCl(s) + 3O2(g)} \]

這裡有一個陷阱。

學生可能會推理：「這個化合物含有氧，所以分解時一定會釋放 \(\ce{O2}\)。」

這個預測似乎很合理，因為元素態的氧通常以 \(\ce{O2}\) 的形式存在。但這個論證的前半部分並不能推出後半部分。含有氧的化合物在分解時不一定會釋放氧氣。

碳酸鈣含有氧，但它的氧原子最後同時存在於 \(\ce{CaO}\) 和 \(\ce{CO2}\) 中：

\[ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2} \]

生成物的預測取決於化合物的化學行為，而不只是看它的化學式中有哪些元素。

08先預測物質，再配平

當題目要求你完成一個分解反應方程式時，請依照以下順序。

1. 確認發生分解反應是合理的。
尋找一種化合物生成多種物質的情況。

2. 確定化合物所屬的類別。
例如，它是碳酸鹽、碳酸氫鹽、過氧化物，還是其他你已知道其分解行為的化合物？

3. 預測實際的化學物質。
寫出生成物正確的化學式。

4. 檢查每一種元素都有出現。
任何元素都不能憑空出現或消失。

5. 只使用係數來配平。
絕不要為了讓原子數相等而改變下標。

考慮：

\[ \ce{KClO3 -> KCl + O2} \]

物質本身是正確的，但方程式尚未配平。

左側有三個氧原子，右側有兩個。最小的共同氧原子總數是六個，因此使用 \(2\ce{KClO3}\) 和 \(3\ce{O2}\)：

\[ \ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2} \]

不要只是為了修正算術而把 \(\ce{O2}\) 改成像 \(\ce{O3}\) 這樣的物質。改變下標就會改變化學物質本身。

09「較簡單的物質」實際上是甚麼意思

教科書常說，分解反應會把一種化合物變成「較簡單的物質」。這是一種有用的說法，但也可能被誤解。

「較簡單」不一定表示：

• 單獨的原子
• 只有元素
• 較小的係數
• 剛好兩種生成物

例如：

\[ \ce{2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O} \]

每一種生成物仍然都是化合物。這是分解反應，因為一種反應物化合物產生了多種生成物。

同樣地：

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

會產生元素。

雖然它們的生成物看起來很不一樣，但兩者都符合分解反應的概念。

10簡明的生成物預測指南

在反應條件適合時，以下模式可作為有用的起點。

請把這個表當作一組化學模式，而不是思考的替代品。反應條件以及化合物的具體種類仍然很重要。

11最常見的錯誤

錯誤 1：假設分解反應一定會產生元素

並不是。

\[ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2} \]

兩種生成物都是化合物。

錯誤 2：在看起來方便的地方隨意拆開化學式

化學式告訴你有哪些原子存在。它並不告訴你反應途徑。

對 \(\ce{CaCO3}\) 而言，寫成 \(\ce{Ca + C + O2}\)，即使配平後某些元素符號的數量能夠守恆，也不會使方程式在化學上變得正確。

錯誤 3：在決定生成物之前先配平

係數可以修正原子數，但不能修正錯誤的化學內容。

先問：「應該形成哪些物質？」然後再問：「每種物質需要多少？」

錯誤 4：改變下標

假設你有：

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

你需要兩個水分子：

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

把 \(\ce{H2O}\) 改成 \(\ce{H2O2}\) 並不是在配平水。你已經把水換成過氧化氫了。

錯誤 5：認為質量減少違反質量守恆

如果分解反應產生氣體，而容器是開放的，氣體就可以逸出。

測得的剩餘固體質量會減少，但所有生成物的總質量仍然等於已分解反應物的質量，前提是除了所考慮的生成物之外，沒有其他物質進入或離開系統。

在解讀加熱實驗時，這項區別尤其有用。

12問題與解答

問題 1

一名學生加熱碳酸銅(II)，並觀察到形成黑色固體，同時有氣體釋出。

預測生成物、寫出已配平的化學方程式，並指出反應類型。

解答 1

生成物是氧化銅(II)和二氧化碳，而這是一個熱分解反應。

碳酸銅(II)是一種金屬碳酸鹽。金屬碳酸鹽常見的熱分解模式是：

\[ \text{金屬碳酸鹽} \rightarrow \text{金屬氧化物} + \text{二氧化碳} \]

對碳酸銅(II)而言：

\[ \ce{CuCO3(s) -> CuO(s) + CO2(g)} \]

這個方程式已經配平。兩側各有一個 Cu 原子、一個 C 原子和三個 O 原子。

黑色固體是 \(\ce{CuO}\)，而 \(\ce{CO2}\) 以氣體形式逸出。這是分解反應，因為一種化合物產生兩種生成物。

一個常見錯誤，是僅因為原始化合物中含有銅和氧這兩種元素，就預測會生成銅金屬和氧氣。真正決定生成物的是碳酸鹽的反應模式。

問題 2

氯酸鉀會分解成氯化鉀和氧氣。

寫出已配平的化學方程式。然後計算當 \(0.400\ \text{mol}\) 的氯酸鉀完全分解時，所產生氧氣的物質的量，以莫耳表示。

解答 2

已配平的方程式是 \(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\)，並會產生 \(0.600\ \text{mol}\) 的氧氣。

先寫出正確的生成物：

\[ \ce{KClO3 -> KCl + O2} \]

先配平氧。使用 \(2\ce{KClO3}\) 和 \(3\ce{O2}\) 可以得到六個氧原子：

\[ \ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2} \]

因此，莫耳比為：

\[ 2\ \text{mol }\ce{KClO3} : 3\ \text{mol }\ce{O2} \]

所以：

\[ n(\ce{O2}) = 0.400\ \text{mol} \times \frac{3\ \text{mol }\ce{O2}} {2\ \text{mol }\ce{KClO3}} = 0.600\ \text{mol} \]

因此，會產生 \(0.600\ \text{mol}\) 的 \(\ce{O2}\)。

關鍵陷阱是 \(2:3\) 的比例。已配平方程式中的係數決定莫耳比，並不會自動是 \(1:1\)。

問題 3

一份 \(25.0\ \text{g}\) 的純碳酸鈣樣本被加熱，直到完全分解。

\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]

計算預期剩餘的氧化鈣質量。使用 \(M(\ce{CaCO3}) = 100.09\ \text{g mol}^{-1}\) 和 \(M(\ce{CaO}) = 56.08\ \text{g mol}^{-1}\)。

解答 3

預期的氧化鈣質量為 \(14.0\ \text{g}\)。

先求出碳酸鈣的物質的量：

\[ n(\ce{CaCO3}) = \frac{25.0\ \text{g}} {100.09\ \text{g mol}^{-1}} = 0.2498\ \text{mol} \]

已配平的方程式顯示莫耳比為 \(1:1\)：

\[ 1\ \text{mol }\ce{CaCO3} : 1\ \text{mol }\ce{CaO} \]

因此：

\[ n(\ce{CaO}) = 0.2498\ \text{mol} \]

將其換算成質量：

\[ m(\ce{CaO}) = nM = (0.2498\ \text{mol})(56.08\ \text{g mol}^{-1}) = 14.0\ \text{g} \]

因此，會剩下 \(14.0\ \text{g}\) 的氧化鈣。

少掉的 \(11.0\ \text{g}\) 並沒有被破壞。它以二氧化碳的形式離開：

\[ 25.0\ \text{g} - 14.0\ \text{g} = 11.0\ \text{g} \]

這道題考查的是剩餘固體的質量與所有反應生成物總質量之間的差別。

問題 4

一名學生得知某種未知純固體的化學式為 \(\ce{XCO3}\)，其中 X 是形成 \(2+\) 離子的金屬。加熱時，該固體依照下列反應完全分解：

\[ \ce{XCO3(s) -> XO(s) + CO2(g)} \]

學生一開始有 \(5.00\ \text{g}\) 的 \(\ce{XCO3}\)，最後得到 \(2.80\ \text{g}\) 的 \(\ce{XO}\)。

解釋為甚麼先計算莫耳數來求二氧化碳質量並不合適。然後在不確定 X 是哪種元素的情況下，求出所產生二氧化碳的質量。

解答 4

二氧化碳的質量為 \(2.20\ \text{g}\)，而且不需要辨認金屬的種類或計算莫耳數。

由於分解反應完全進行，而且樣本是純物質，因此原本的質量必須等於生成物的總質量：

\[ m(\ce{XCO3}) = m(\ce{XO}) + m(\ce{CO2}) \]

因此：

\[ m(\ce{CO2}) = 5.00\ \text{g} - 2.80\ \text{g} = 2.20\ \text{g} \]

所以，會產生 \(2.20\ \text{g}\) 的二氧化碳。

如果已知 X 的種類，使用莫耳計算在化學上並沒有錯。問題在於 X 是未知的，因此目前無法直接計算 \(\ce{XCO3}\) 和 \(\ce{XO}\) 的摩爾質量。

更有效的方法，是注意到這道題可以立即利用質量守恆解決。容易犯的錯誤，是認為每一道定量化學題都必須先從 \(n = \frac{m}{M}\) 開始。

問題 5

兩名學生分別加熱同一種純金屬碳酸鹽的相同 \(10.00\ \text{g}\) 樣本。

學生 A 在開放式坩堝中加熱樣本，直到分解完全。最後的固體質量為 \(6.40\ \text{g}\)。

學生 B 在完全密封的容器中加熱相同質量的碳酸鹽。完全分解並冷卻回起始溫度後，沒有任何物質逸出。

學生 B 聲稱：「我的天平也應該顯示 \(6.40\ \text{g}\)，因為碳酸鹽已經分解，而且只剩下 \(6.40\ \text{g}\) 的固體。」

評估這項說法。假設該反應只生成固態金屬氧化物和二氧化碳氣體。

解答 5

學生 B 的說法不正確。密封容器中仍含有全部 \(10.00\ \text{g}\) 的反應生成物，雖然其中只有 \(6.40\ \text{g}\) 是固體。

對學生 A 而言，測得的固體質量減少量為：

\[ 10.00\ \text{g} - 6.40\ \text{g} = 3.60\ \text{g} \]

這 \(3.60\ \text{g}\) 對應於從開放式坩堝逸出的二氧化碳。

對學生 B 而言，分解反應仍然產生相同的量：

\[ 6.40\ \text{g 固態氧化物} + 3.60\ \text{g 二氧化碳} = 10.00\ \text{g 生成物總質量} \]

由於容器是密封的，二氧化碳仍留在其中。如果在等同條件下，分別在反應前後稱量完整的密封系統，其質量會保持不變。

陷阱在於混淆了固體生成物的質量與整個化學系統的質量。分解反應可以改變存在哪些物質，以及它們是固體還是氣體，但不會改變封閉系統中的物質總量。

13從分解反應還可以進一步推算甚麼

一旦你能辨認分解反應並預測合理的生成物，下一步就不再只是為反應類型命名。你可以利用已配平的方程式，把粒子層次發生的變化與實驗室中的測量結果連結起來。

固體質量下降可以告訴你逸出了多少氣體。氣體體積可以告訴你有多少反應物發生了分解。與預期不符的最終質量可能表示分解不完全、存在雜質，或發生了另一個反應。

反應模式是推理的起點，而原子守恆和化學計量則使預測能夠受到實驗檢驗。