化學方程式

化學方程式（chemical equation）又稱化學反應式、化學反應方程式，是利用化學式來描述各種不同物質之間發生化學反應的反應方程式。

化學方程式反映化學反應中「質」和「量」兩方面，分別表示反應前後物質的種類與反應時各物質之間量的關係。化學方程式要遵守三個原則：

一是必須依據客觀事實，絕不能憑空臆想、臆造事實上不存在的物質和化學反應。

二是要遵守質量守恆定律，反應前後，等號兩邊各原子種類與數目必須相等。

三是要遵守電子數守恆定律，涉及電子的反應方程式（如：氧化還原反應方程式），反應前後總電子數必須相等，等同於反應前後得失的電子數相等。

## 表達意義

- 表明了反應物、生成物、反應條件。
- 通過相對分子質量（或相對原子質量）表示各物質之間的質量關係，即各物質之間的質量比。
- 反映了質量守恆定律。
- 各反應係數比等於其反應的莫耳數比。

## 書寫

### 一般的化學方程式

- 根據事實，寫出反應物與生成物，各反應物與各生成物之間用「+」號連接，讀作「和」，在反應物與生成物之間用「→」連接，讀作「生成」。
- 配平反應方程式，並標上必要的條件與符號。
- 非可逆反應，在之前的橫線下方再劃一條橫線。可逆反應，畫上雙向箭頭($A <=> B$)。有機化合物反應，用箭頭連接。

注意：以上書寫規範適用於中華人民共和國大多數地區，並僅限中學階段。大學階段、其他國家和地區要求在反應物與生成物之間用箭頭連接。

### 熱化學方程式

- 根據事實，寫出反應物與生成物，各反應物與各生成物之間用「+」號連接，在反應物與生成物之間用一條橫線連接。
- 配平反應方程式，在各物質的右下角用括號標出各物質的狀態：(s) 代表固體，(l) 代表液體，(g) 代表氣體，(aq) 代表水溶液中。按照實際情況，各物質前的計量數可以不為整數。不需要標明反應條件和符號。
- 在配平完的方程式後根據事實寫上「$\bigtriangleup H=Q$」，其中$Q$代表放出或吸收的熱量（焓變）。放熱反應，$Q<0$；吸熱反應，$Q>0$。

### 反應條件和反應現象

#### 反應條件

- $\triangle$代表加熱(部分對溫度要求嚴格溫度需註明反應溫度)。例如：

$$\mathrm{2Cu} + \mathrm{O_2} \; \xrightarrow{\triangle} \; \mathrm{2CuO}$$

- 某物質名稱代表此物質為催化劑。例如：

$$\mathrm{2H_2O_2} \; \xrightarrow{\mathrm{MnO_2}} \; \mathrm{O_2\uparrow} + \mathrm{2H_2O}$$

書寫單向化學反應方程式時，反應條件標示於箭頭上方。

其他反應條件（如通電、光照）均以文字標明。

#### 反應現象

- $\uparrow$代表此生成物為氣體，前置條件要反應物中無氣體。例如：

$\mathrm{2H_2O} \; \ {\overset{\text{通 電 }}{\longrightarrow}} \; \mathrm{O_2\uparrow} + \mathrm{2H_2\uparrow}$

- $\downarrow$代表此生成物有沉澱，前置條件要反應物中無固體。例如：

$$\mathrm{Ca(OH)_2} + \mathrm{CO_2} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3\downarrow} + \mathrm{H_2O}$$

關於沉澱，請參看溶解度表。

新加坡對氣體與沉澱符號無要求。

## 平衡方程式

將一個未加化學計量數的方程補充化學計量數，使其符合物質、電荷守恆的過程，稱作化學反應方程式的「配平」（balancing）；而平衡方程式，是除了已在各個分子式前加上正整數係數的化學方程式本身，還在$\longrightarrow$上標明反應條件及標明氣體、沉澱等符號。平衡後的化學方程式必定要符合質量守恆定律。

### 平衡的方法

平衡化學方程式方法有很多，為了配平能夠更加快捷簡單，有很多方法可以參照借鑑。下面著重介紹幾種常用的「配平方法」。

- 注意：有一些方程式是自然就是配平的，比如$\mathrm{CO_2} + \mathrm{Ca(OH)_2}\; \longrightarrow \; \mathrm{CaCO_3\downarrow} + \mathrm{H_2O}$

例如在配平$\mathrm{P} + \mathrm{O_2} \; \longrightarrow \; \mathrm{P_2 O_5}$時，觀察右邊的氧原子數為5，而式子左邊氧原子數為2，而5和2的最小公倍數為10。

因此在左邊的$O2$ 前面配上5，在 $P2O5$ 前面配上2。由於式子左邊的磷原子數為1，而右邊的磷原子個數是4。

因此在P前面配上4。至此配平。（$\mathrm{4P} + \mathrm{5O_2} = \mathrm{2P_2O_5}$）

- 1+x法：當有機化合物和氧氣反應（通常生成水和二氧化碳）時，推薦用這種方法。

比如 $\mathrm{C_2H_5OH} + \mathrm{O_2}\; \longrightarrow \; \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$，把 $C2H5OH$ 的係數固定為1，觀察式子：

式子右邊碳原子有一個，而左邊有兩個，於是在 $CO2$ 前面配上2；式子右邊氫原子有2個，而左邊有6個，於是在 $H2O$ 前面配上3。

最後觀察氧原子數，右邊一共已經有7個，左邊只有1個，於是在單質 $O2$ 前面配上3。至此配平。

（$\mathrm{C_2H_5OH} + \mathrm{3O_2} = \mathrm{2CO_2} + \mathrm{3H_2O}$）

比如配平碳還原氧化鐵 $\mathrm{C} + \mathrm{Fe_2O_3} \; \longrightarrow \; \mathrm{CO_2\uparrow} + \mathrm{Fe}$ 時，觀察是平均每個碳從氧化鐵中奪取兩個氧原子生成 $CO2$。

$Fe2O3$中氧原子數是奇數，因此配上2，$2Fe2O3$ 中一共有6個氧原子，需要3個碳來奪取，於是在C上配上3，自然後面的$CO2$ 也要配上3。

剩下的式子便很好配平了。（$\mathrm{3C} + \mathrm{2Fe_2O_3} = \mathrm{4Fe} + \mathrm{3CO_2\uparrow}$）

除了上述方法之外，還有其他的方法配平，比如化合價升降法、單質配分數法、代數法等。配平方程式是非常重要的一步。

#### 範例

以水的電解為例：

$$\mathrm{H_2O} \; \longrightarrow \; \mathrm{O_2} + \mathrm{H_2}$$

- 配平係數

$$\mathrm{2H_2O} \; \longrightarrow \; \mathrm{O_2} + \mathrm{2H_2}$$

- 寫出氣體（沉澱）符號

$$\mathrm{2H_2O} \; \longrightarrow \; \mathrm{O_2\uparrow} + \mathrm{2H_2\uparrow}$$

- 標明反應條件

$\mathrm{2H_2O} \; \overset{\text{通 電 }}{\longrightarrow} \; \mathrm{O_2\uparrow} + \mathrm{2H_2\uparrow}$

### 氧化還原反應化學方程式的配平

氧化還原反應，由於其本質是電子的轉移或偏向，且方程式使用常規方法配平較為困難，所以利用其電荷守恆的性質，可以更方便地配平。

#### 完全氧化還原反應化學方程式的配平

完全氧化還原反應，指元素完全由一個價態升高或降低到另外一個價態。

以 $Fe(OH)2 + H2O + O2 -> Fe(OH)3$ 為例

$$\overset{+2}{\mathrm{Fe}}{(}\overset{-2}{\mathrm{O}}\overset{+1}{\mathrm{H}}{)}_2{+}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset {-2}{\mathrm{O}}{+}\overset {0}{\mathrm{O}}_2 \longrightarrow \overset {+3}{\mathrm{Fe}}{(} \overset {-2}{\mathrm{O}}\overset {+1}{\mathrm{H}}{)}_3$$

- 標出元素化合價

- 找到升價和降價的元素（由標出的化合價可以看出，Fe元素和O元素化合價發生改變，Fe元素化合價從+2升至+3價，而O元素從0降到-2價）

- 計算出升降價元素的得失電子數，並找到他們的最小公倍數，乘上一定的係數時得失電子數相等。由標出的化合價可以看出，Fe元素失去1e-，O元素得到4e-（一個O原子得到2e-），因此Fe(OH)2的係數應是4，O2的係數應是1，才能使得失電子數相等。

$${4}\overset{+2}{\mathrm{Fe}}{(}\overset{-2}{\mathrm{O}}\overset{+1}{\mathrm{H}}{)}_2{+}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset {-2}{\mathrm{O}}{+1}\overset {0}{\mathrm{O}}_2 \longrightarrow \overset {+3}{\mathrm{Fe}}{(} \overset {-2}{\mathrm{O}}\overset {+1}{\mathrm{H}}{)}_3$$

- 通過觀察法配平整個方程式。

$${4}\overset{+2}{\mathrm{Fe}}{(}\overset{-2}{\mathrm{O}}\overset{+1}{\mathrm{H}}{)}_2{+2}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset {-2}{\mathrm{O}}{+}\overset {0}{\mathrm{O}}_2 \ \longrightarrow {4}\overset {+3}{\mathrm{Fe}}{(} \overset {-2}{\mathrm{O}}\overset {+1}{\mathrm{H}}{)}_3$$

#### 不完全氧化還原反應化學方程式的配平

不完全氧化還原反應，指在反應中一種元素的化合價沒有完全變化成另外一種化合價但是與反應物有發生氧化反應。

以$Zn + HNO3 -> Zn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O$ 為例

$$\overset{\mathrm{0}}{\mathrm{Zn}}{\mathrm{+}}\overset{+1}{\mathrm{H}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3 \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Zn}}{\mathrm{(}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{\mathrm{)}}_2{\mathrm{+}}\overset{-3}{\mathrm{N}}\overset{+1}{\mathrm{H}}_4\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{\mathrm{+}}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset{-2}{\mathrm{O}}$$

- 標出元素化合價（同上，略）

- 找到升價和降價的元素（同上，略）

- 計算出升降價元素的得失電子數，（這時，就要找出變價的原子所在的化合物）並找到他們的最小公倍數，乘上一定的係數時得失電子數相等。（由標出的化合價可以看出，一個N原子從+5價降到-3價，得到8e-，$Zn$原子從0價上升到+2價，失2e-。故$NH4NO3$的係數為1，$Zn$的係數為4）

$${\mathrm{4}}\overset{\mathrm{0}}{\mathrm{Zn}}{\mathrm{+}}\overset{+1}{\mathrm{H}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3 \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Zn}}{\mathrm{(}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{\mathrm{)}}_2{+1}\overset{-3}{\mathrm{N}}\overset{+1}{\mathrm{H}}_4\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{\mathrm{+}}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset{-2}{\mathrm{O}}$$

- 通過觀察法配平整個方程式。

$${\mathrm{4}}\overset{\mathrm{0}}{\mathrm{Zn}}{+10}\overset{+1}{\mathrm{H}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3 \longrightarrow 4\overset{+2}{\mathrm{Zn}}{\mathrm{(}}\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{\mathrm{)}}_2{\mathrm{+}}\overset{-3}{\mathrm{N}}\overset{+1}{\mathrm{H}}_4\overset{+5}{\mathrm{N}}\overset{-2}{\mathrm{O}}_3{+3}\overset {+1}{\mathrm{H}}_2\overset{-2}{\mathrm{O}}$$

（此處觀察時，可得$Zn(NO3)2$係數是4，再觀察可知$H2O$係數是3）

## 外部連結

- Chemical Equation Balancer
- Stoichiometry Add-In for Microsoft Excel for calculation of molecular weights, reaction coëfficients and stoichiometry.