燃燒反應：HSC 化學中的產物與方程式
學習如何辨認燃燒反應、預測產物，並配平完全燃燒與不完全燃燒的化學方程式。包括例題解析及原創 HSC 類型題目與解答。
兩個本生燈可以使用相同的燃料，卻產生截然不同的火焰。空氣流通良好時，火焰呈藍色而且燃燒乾淨。限制氧氣供應後，火焰可能變成黃色、產生煤煙，並形成有毒的一氧化碳。
繼續閱讀之前，先預測一下在化學上發生了甚麼變化。燃料相同，那麼為甚麼產物會不同？
關鍵在於氧氣供應。燃燒不只是知道燃料會與氧氣反應。你還需要判斷是否有足夠的氧氣，使燃料中的碳完全氧化。
01第一個判斷：這是燃燒反應嗎？
在 HSC 課程中，當一種物質與氧氣 \(\ce{O2}\) 反應並釋放能量時，就應辨認為燃燒反應。
對於含碳燃料，反應物通常可寫成：
\[
\ce{燃料 + O2 -> 產物}
\]
碳氫化合物只含碳和氫。甲烷 \(\ce{CH4}\)、丙烷 \(\ce{C3H8}\) 和辛烷 \(\ce{C8H18}\) 都是例子。
乙醇 \(\ce{C2H5OH}\) 等醇類也會燃燒。它們本身已含有氧，但仍需要周圍環境提供 \(\ce{O2}\)。
燃燒並不等同於方程式中某處出現氧。氧分子 \(\ce{O2}\) 必須是燃燒過程中的反應物。
如果你仍在建立對原子守恆及配平方程式的信心，可以複習反應中原子的重新排列。這裡每個方程式都遵循同一條規則：原子可以重新排列，但不能憑空出現或消失。
02把氧氣視為受限制的資源
想像每個碳原子都試圖在反應結束時，以 \(\ce{CO2}\) 的形式與兩個氧原子結合。氫通常會與氧結合，以水 \(\ce{H2O}\) 的形式離開反應。
如果有足夠的氧氣，碳就可以完全氧化成二氧化碳。
如果氧氣不足，部分碳可能以一氧化碳 \(\ce{CO}\) 的形式存在，甚至形成固態碳 \(\ce{C}\)，也就是煤煙。
這有點像在一輛座位很少的巴士上分配座位。在理想情況下，每個碳都能獲得完整的氧氣「配額」。如果載氧的巴士已經坐滿，有些碳就只能帶着較少的氧同行。
這個比喻到此為止。原子不會自行選擇伙伴，而真正的火焰中也存在許多壽命很短的中間物種。這個比喻真正有用的重點只是：可用氧氣的量會影響最終產物。
03完全燃燒
對於碳氫化合物，完全燃燒會產生：
- 二氧化碳 \(\ce{CO2}\)
- 水 \(\ce{H2O}\)
因此，其模式為：
\[
\ce{碳氫化合物 + O2 -> CO2 + H2O}
\]
「完全」是指碳被完全氧化成二氧化碳。這不表示你可以跳過配平方程式。
一個可靠的配平順序是：
- 先配平碳
- 再配平氫
- 最後配平氧
氧最後才處理，是因為它同時出現在二氧化碳和水中。
例題：乙烷的完全燃燒
寫出乙烷 \(\ce{C2H6}\) 完全燃燒的配平方程式。
步驟 1
完全燃燒會產生二氧化碳和水。
\[
\ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O}
\]
步驟 2
\(\ce{C2H6}\) 中有 2 個碳原子，因此在 \(\ce{CO2}\) 前加上係數 2。
\[
\ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O}
\]
步驟 3
乙烷中有 6 個氫原子。每個水分子含有 2 個氫原子，因此需要 3 個水分子。
\[
\ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O}
\]
步驟 4
現在產物中含有：
- \(\,2 \times 2 = 4\,\) 個氧原子，來自 \(\ce{2CO2}\)
- \(\,3 \times 1 = 3\,\) 個氧原子，來自 \(\ce{3H2O}\)
合共有 7 個氧原子。
由於每個 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 個氧原子，所以最初需要 \(\frac{7}{2}\ce{O2}\)：
\[
\ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O}
\]
步驟 5
把每個係數都乘以 2。
\[
\boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}
\]
這個方程式表示，2 mol 乙烷完全燃燒需要 7 mol 氧氣。
04為甚麼配平燃燒反應時絕不能更改下標
假設你在產物一側需要更多氧。你不能把 \(\ce{CO2}\) 改成 \(\ce{CO3}\)。
這不是配平。你已經把二氧化碳改成另一個化學式。
只能改變係數，也就是寫在化學式前面的數字。
例如：
\[
\ce{2CO2}
\]
表示兩個二氧化碳分子，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。
這是最常見的配平錯誤之一，因為更改下標可能讓原子數看起來正確，卻令化學本身變得錯誤。
05不完全燃燒
現在回到黃色、冒煙的火焰。
如果沒有足夠的氧氣讓所有碳都變成 \(\ce{CO2}\)，燃燒就是不完全的。
在 HSC 程度所使用的簡化反應中，重要的含碳產物包括：
| 氧氣條件 | 可能的含碳產物 | 另一主要產物 |
|---|---|---|
| 氧氣充足 | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{H2O}\) |
| 氧氣有限 | \(\ce{CO}\) | \(\ce{H2O}\) |
| 氧氣極度受限 | 以煤煙形式存在的 \(\ce{C}\) | \(\ce{H2O}\) |
真正的火焰可能含有 \(\ce{CO2}\)、\(\ce{CO}\)、煤煙、未燃燒燃料以及其他物種的混合物。考試中的方程式通常會提供足夠資訊，讓你採用一組簡化的產物。
因此得到一條重要規則：
單單說「不完全燃燒」，並不一定能確定唯一一條方程式。
如果題目指出會形成一氧化碳，就使用 \(\ce{CO}\)。如果題目指出會形成煤煙或碳，就使用 \(\ce{C}\)。如果證據顯示存在混合物，你可能需要考慮多於一種含碳產物。
例題：乙醇不完全燃燒生成一氧化碳
乙醇 \(\ce{C2H5OH}\) 在氧氣供應受限的情況下燃燒。假設一氧化碳和水是唯一產物。寫出配平方程式。
步驟 1
\[
\ce{C2H5OH + O2 -> CO + H2O}
\]
步驟 2
乙醇含有 2 個碳原子，因此形成 2 個一氧化碳分子。
\[
\ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + H2O}
\]
步驟 3
\(\ce{C2H5OH}\) 一共含有 6 個氫原子。因此需要 3 個水分子。
\[
\ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + 3H2O}
\]
步驟 4
產物含有：
- \(\ce{2CO}\) 中的 2 個氧原子
- \(\ce{3H2O}\) 中的 3 個氧原子
右邊共有 \(5\) 個氧原子。
但乙醇本身已經含有 1 個氧原子。這表示只需由 \(\ce{O2}\) 再提供 4 個氧原子。
兩個 \(\ce{O2}\) 分子可提供這 4 個原子。
\[
\boxed{\ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O}}
\]
重要細節是乙醇本身已含有氧。若把乙醇當作碳氫化合物，忘記這個氧原子，就會得到錯誤的係數。
06如果形成固態碳呢？
假設甲烷在氧氣供應嚴重受限的情況下燃燒，而簡化後的產物是碳和水。
先寫：
\[
\ce{CH4 + O2 -> C + H2O}
\]
碳已經配平。
4 個氫原子需要 2 個水分子：
\[
\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}
\]
這 2 個水分子含有 2 個氧原子，因此需要一個 \(\ce{O2}\)：
\[
\boxed{\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}}
\]
在這個簡化模型中，固態碳代表煤煙。
注意，這個反應所需的氧氣遠少於完全燃燒：
\[
\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}
\]
這個比較正是不完全燃燒的核心概念。可用的氧氣較少，因此碳最終以氧化程度較低的形式存在。
07處理燃燒題的快速判斷流程
看到燃燒方程式時，不要立刻開始配平。
首先要判斷哪些產物在化學上是合理的。
| 題目告訴你的資訊 | 你應該怎樣做 |
|---|---|
| 碳氫化合物完全燃燒 | 寫出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\) |
| 醇完全燃燒 | 寫出 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\)，配平時再計入醇本身已含有的氧 |
| 不完全燃燒並產生一氧化碳 | 寫出 \(\ce{CO}\) 和 \(\ce{H2O}\) |
| 不完全燃燒並產生煤煙 | 寫出 \(\ce{C}\) 和 \(\ce{H2O}\) |
| 只說「不完全燃燒」 | 檢查題目是否提供了關於 \(\ce{CO}\)、煤煙或混合物的證據 |
| 已提供產物 | 不要把它們換成你原先預期的產物。應配平題目實際給出的方程式 |
確定產物後，先配平碳，再配平氫，最後配平氧。
這個順序是一種方法，而不是自然定律。它只是較有效率，因為氧往往會出現在多種產物中。
08一個有用的碳氫化合物捷徑
對於化學式為 \(\ce{C_xH_y}\) 的碳氫化合物，其完全燃燒可以表示為：
\[
\ce{C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O}
\]
其中：
- \(x\) 是一個碳氫化合物分子中的碳原子數
- \(y\) 是氫原子數
這個公式直接來自原子守恆。
有 \(x\) 個碳原子，因此需要 \(x\ce{CO2}\)。
有 \(y\) 個氫原子，因此需要 \(\frac{y}{2}\ce{H2O}\)。
這些產物會決定所需的氧氣量。
這個公式可用來檢查答案，但不能取代理解配平過程。它也只適用於碳氫化合物。對於乙醇等含氧燃料，不要原封不動地套用這個公式。
09燃燒不等同於化合反應
例如：
\[
\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}
\]
可描述為燃燒反應，因為鎂在氧氣中燃燒。
它同時也符合化合反應的模式，因為兩種反應物形成一種產物。
反應的分類可以重疊。所使用的分類名稱取決於你正在討論反應的哪一項特徵。如果你需要比較這些模式，可參閱化合反應：預測產物與配平方程式。
10要留意的常見誤解
有學生看到「丙烷的不完全燃燒」，便立即寫出：
\[
\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}
\]
這個方程式已配平，而且確實代表一種可能的簡化不完全燃燒反應。
但題目真的有指定會形成一氧化碳嗎？
如果沒有，這個方程式就不是唯一可能的答案。在氧氣受到更嚴重限制時，丙烷也可能形成煤煙，或者形成 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的混合物。
這就是為甚麼必須先預測產物，再進行配平。
即使方程式配得完全正確，仍可能回答了錯誤的化學問題。
11題目與解答
題目 1
一名學生寫出以下丙烷完全燃燒的方程式：
\[
\ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O}
\]
這個方程式已配平嗎？如果沒有，請改正。
解答 1
沒有。正確方程式是 \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\)。
碳和氫已經配平：
- 碳：兩邊各有 \(3\) 個原子
- 氫：兩邊各有 \(8\) 個原子
現在計算產物一側的氧。
\(\ce{3CO2}\) 含有 \(3 \times 2 = 6\) 個氧原子。
\(\ce{4H2O}\) 含有 \(4 \times 1 = 4\) 個氧原子。
因此，產物共含有：
\[
6 + 4 = 10 \text{ 個氧原子}
\]
每個 \(\ce{O2}\) 分子含有 2 個氧原子，因此：
\[
\frac{10}{2}=5
\]
所以：
\[
\boxed{\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}}
\]
原來的方程式在反應物一側只有 8 個氧原子，因此沒有遵守氧原子守恆。
題目 2
甲醇 \(\ce{CH3OH}\) 發生完全燃燒。預測產物並寫出配平方程式。
解答 2
產物是二氧化碳和水，配平方程式為 \(\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}\)。
先寫出完全燃燒的產物：
\[
\ce{CH3OH + O2 -> CO2 + H2O}
\]
一個甲醇分子含有 1 個碳原子和 4 個氫原子，因此：
\[
\ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O}
\]
產物一共含有 4 個氧原子：
- \(\ce{CO2}\) 中有 2 個
- \(\ce{2H2O}\) 中有 2 個
甲醇本身已提供 1 個氧原子，因此還需要由 \(\ce{O2}\) 提供另外 3 個氧原子：
\[
\ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O}
\]
把每個係數都乘以 2：
\[
\boxed{\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}}
\]
主要陷阱是忘記 \(\ce{CH3OH}\) 本身已經含有一個氧原子。
題目 3
丁烷 \(\ce{C4H10}\) 發生不完全燃燒。分析顯示，一氧化碳是唯一的含碳產物。寫出配平方程式。
解答 3
配平方程式為 \(\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}\)。
由於題目已指定一氧化碳，因此寫成：
\[
\ce{C4H10 + O2 -> CO + H2O}
\]
配平 4 個碳原子：
\[
\ce{C4H10 + O2 -> 4CO + H2O}
\]
配平 10 個氫原子：
\[
\ce{C4H10 + O2 -> 4CO + 5H2O}
\]
現在產物中含有：
\[
4 + 5 = 9 \text{ 個氧原子}
\]
因此需要 \(\frac{9}{2}\ce{O2}\)：
\[
\ce{C4H10 + \frac{9}{2}O2 -> 4CO + 5H2O}
\]
把每個係數都乘以 2：
\[
\boxed{\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}}
\]
這個方程式所使用的氧氣少於完全燃燒，因為碳形成的是 \(\ce{CO}\)，而不是完全氧化成 \(\ce{CO2}\)。
題目 4
題目只說戊烷 \(\ce{C5H12}\) 發生不完全燃燒。
一名學生寫出：
\[
\ce{2C5H12 + 11O2 -> 10CO + 12H2O}
\]
這是不完全燃燒唯一可能的配平方程式嗎？解釋你的答案，並寫出另一種簡化的可能情況。
解答 4
不是。這名學生的方程式是一條有效的簡化不完全燃燒方程式，但並不是唯一可能。
不完全燃燒表示氧氣不足，不能讓所有碳都完全氧化成 \(\ce{CO2}\)。視乎條件不同，可能形成一氧化碳、固態碳，或多種產物的混合物。
例如，如果題目指出會形成固態碳，一條簡化方程式為：
\[
\ce{C5H12 + O2 -> C + H2O}
\]
配平碳和氫：
\[
\ce{C5H12 + O2 -> 5C + 6H2O}
\]
6 個水分子含有 6 個氧原子，因此需要 3 個氧分子：
\[
\boxed{\ce{C5H12 + 3O2 -> 5C + 6H2O}}
\]
在簡化假設下，這條方程式和學生寫出的一氧化碳方程式都可描述不完全燃燒。
陷阱在於假設「不完全燃燒」自動等同於「只產生一氧化碳」。要得到唯一的方程式，還需要更多關於產物的資訊。
題目 5
兩個密封容器最初都含有相同量的丙烷。
點燃後，容器 A 中只含有二氧化碳和水。沒有丙烷或氧氣剩下。
容器 B 中含有水、二氧化碳、一氧化碳以及一些未反應的丙烷。
一名學生聲稱，容器 A 最初必定含有過量氧氣，因為其中發生了完全燃燒。
評估這項說法。
解答 5
這項說法不正確。容器 A 需要有足夠的氧氣才能完全燃燒，但現有資訊並不能證明氧氣是過量的。
丙烷的完全燃燒為：
\[
\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}
\]
因此，其化學計量比為：
\[
1\text{ mol }\ce{C3H8}:5\text{ mol }\ce{O2}
\]
如果容器 A 最初每 1 mol 丙烷恰好配有 5 mol 氧氣，兩種反應物都可以完全消耗，最後只剩下二氧化碳和水。
這與沒有丙烷和氧氣剩下的觀察結果一致。
氧氣過量表示所提供的氧氣多於反應所需要的量。如果反應後仍有這些過量氧氣剩下，氧氣就會出現在最終物質中。
容器 B 沒有足夠的可用氧氣進行完全燃燒。因此，部分碳形成了 \(\ce{CO}\)，而不是全部形成 \(\ce{CO2}\)，而且有些丙烷未反應。
這裡的誤解是把「完全燃燒」和「氧氣過量」當成相同概念。完全燃燒需要有足夠的氧氣，使實際參與反應的燃料完全氧化。恰好達到化學計量所需的氧氣量也可以足夠。
題目 6
1 mol 丁烷 \(\ce{C4H10}\) 與恰好 \(5.50\) mol \(\ce{O2}\) 反應。
假設所有丁烷都發生反應，而且唯一產物是 \(\ce{CO2}\)、\(\ce{CO}\) 和 \(\ce{H2O}\)。
求生成的 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的物質的量，以 mol 表示。
解答 6
反應會產生 \(2.00\) mol \(\ce{CO2}\) 和 \(2.00\) mol \(\ce{CO}\)。
先處理氫。
1 mol \(\ce{C4H10}\) 含有 10 mol 氫原子。這些氫會形成：
\[
\frac{10}{2}=5.00\text{ mol }\ce{H2O}
\]
因此會產生 5.00 mol 水。
原來的 \(5.50\) 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：
\[
11.0-5.00=6.00\text{ mol 氧原子}
\]
供含碳產物使用。
設 \(a\) 為 \(\ce{CO2}\) 的 mol 數，\(b\) 為 \(\ce{CO}\) 的 mol 數。
1 mol 丁烷提供 4 mol 碳原子，因此：
\[
a+b=4
\]
碳氧化物必須含有餘下的 6 mol 氧原子：
\[
2a+b=6
\]
以第二條方程式減去第一條方程式：
\[
(2a+b)-(a+b)=6-4
\]
所以：
\[
a=2
\]
然後：
\[
b=4-2=2
\]
因此：
\[
\boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO2}}
\]
以及
\[
\boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO}}
\]
代表相同比例的一條配平方程式為：
\[
\boxed{\ce{2C4H10 + 11O2 -> 4CO2 + 4CO + 10H2O}}
\]
重要概念是，不完全燃燒不一定只產生一種形式的碳。當氧氣供應量介乎形成不同理想化產物組合所需的氧氣量之間時，\(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{CO}\) 的混合物可以同時符合碳和氧的守恆。
當你能在配平之前先選出正確的燃燒產物後，下一個有用的步驟就是把這些方程式與化學計量連繫起來。配平的燃燒方程式不只是確保原子守恆，其係數亦會告訴你摩爾比，讓你計算氧氣需求量、燃料消耗量以及生成產物的量。