【种花家务·化学】1-2-09化学方程式以及应用化学方程式的计算『数理化自学丛书66版』

2022-12-10 16:11 作者:山嵓 0人读过 | 我要投稿

【阅前提示】本书由于是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生阅读。但很适合像我这样已接受过基础教育但很不扎实的学酥重新查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

第二章、氧和氢

§2-9化学方程式以及应用化学方程式的计算

前面已经看到，许多化学反应都可以用一个式子来表示，例如，水在电流作用下分解变成氢气和氧气的化学反应，可以用下式表示：

$%5Cce%7B%E6%B0%B4H2O-%3E%5B%7B%5Cmbox%7B%E7%94%B5%E6%B5%81%7D%7D%5D%E6%B0%A2%E6%B0%94H2%20%2B%20%E6%B0%A7%E6%B0%94O2%7D$

【山注，B站专栏公式代码——\ce{水H2O->[{\mbox{电流}}]氢气H2 + 氧气O2}】

因为任何物质都可以用一定的元素符号或分子式来表示。所以在这里，如果我们改用元素符号和分子式来表示反应物和生成物，那末这一式子就将简明得多，在研究和学习化学时，也将方便得多，用元素符号和分子式来表示化学反应的式子，叫做化学方程式。

化学方程式是学习化学必须掌握的一个极重要的工具。我们不仅要学会正确书写化学反应的化学方程式，还必须学会应用化学方程式进行有关的计算。

怎样写化学方程式

根据化学方程式的定义，化学方程式是用来表示化学反应的式子。因此，在书写某一化学方程式以前，首先必须确切地知道它所表示的化学反应是真实存在的，确切知道在这一化学反应里，反应物和生成物各是什么？反应发生的条件是什么？反应时有什么现象发生？等等。其次，因为在任何化学反应里，反应物和生成物的总重量总是不变的（物质不灭定律），因此，在化学方程式里，还必须把化学反应里物质的这种重量关系表示出来。这就是说，在书写化学方程式时，应该注意两个问题：

（1）它所表示的化学反应必须是真实存在的；

（2）它是符合于物质不灭定律的。

现在用水分解的例子，来说明写化学方程式的具体步骤：

【第一步】在左边写出反应物（水）的分子式，在右边写出生成物（氢气和氧气）的分子式.在氢气和氧气的分子式中间用加号“+”相连。左右两边之间划一直线“一”，即 $%5Cce%7BH2O%E2%80%94H2%20%2B%20O2%7D$

【第二步】在各个分子式的前面配上适当的系数，使各种原子（氢原子和氧原子）的数目在式子两边都相等。这种配系数叫做化学方程式的配平。配平以后，就可以把直线变成等号。

配系数时，我们注意到式子右边的氧气分子里含有两个氧原子，而式子左边的水分子里只有一个氧原子，所以必须要有两个水分子才能分解出两个氧原子。因此，在水的分子式前应该写上系数“2”。 $%5Cce%7B2H2O%E2%80%94H2%20%2B%20O2%7D$

这样，虽然左右两边氧原子数目是相等了，但氢原子数目却不相等。因为两个水分子里一共含有4个氢原子，而右边却只有两个氢原子，所以在式子右边氢气分子式前面也应该写上系数“2”。这样，在式子左右两边氧和氢两种元素的原子数目都已相等，就可以把中间的直线改成等号，因为这样的式子已符合物质不灭定律：

$%5Cce%7B2H2O%3D2H2%20%2B%20O2%7D$

【第三步】如果反应是在某种条件下进行的，那末在等号上面应该注明反应发生的条件，例如，水分解的条件是通入电流，那就在这个化学方程式等号上面注明“电流”两字，即：

$%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%20%2B%20O2%7D$

另外，如果反应过程中有气体放出，我们用符号“个”（写在气态生成物的分子式的右边）来表示；如果有沉淀从溶液中析出，用符号“↓”（写在难溶生成物的分子式的右边）来表示。因此，用来表示水在电流作用下发生分解反应的完整的化学方程式是：

$%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%E2%86%91%20%2B%20O2%E2%86%91%7D$

总起来说，要正确书写化学方程式，首先应该知道这个反应的作用物和生成物各是什么；其次，要能够写出各种作用物和生成物的分子式；第三，要知道反应发生的条件和生成物的状态；最后，要能够根据物质不灭定律来配平化学方程式，即使化学方程式两边的各种元素的原子数相等。

化学方程式的配平，有时比较困难，必须采用一定的步骤，逐步进行平衡。但在开始学习化学时，我们接触到的化学反应大都比较简单，它们的化学方程式，一般只须采用视察法就能加以配平。现在，我们再举几个例子，来说明用视察法配平化学方程式的方法。

例1.铁在灼热的情况下，在氧气里燃烧，生成四氧化三铁。

观察式子 $%5Cce%7BFe%20%2B%20O2%E2%80%94Fe3O4%7D$

两边铁原子和氧原子的数目都不相等，由于右边生成物四氧化三铁分子里含有3个铁原子和4个氧原子，因此，只要在左边反应物铁的元素符号前面配上系数“3”，氧气的分子式前面配上系数“2”，左右两边就配平了。然后将“—”写成“=”，并加上反应条件“灼热”。于是铁在氧气里燃烧生成四氧化三铁的化学方程式的完整写法是： $%5Cce%7B3Fe%20%2B%202O2%3D%E7%81%BC%E7%83%AD%3DFe3O4%7D$

在配平化学方程式时，各种物质分子式前面的系数必须保持最简单的数目关系.例如，例1中最后的化学方程式，如果配平成 $%5Cce%7B6Fe%20%2B%204O2%3D%E7%81%BC%E7%83%AD%3D2Fe3O4%7D$

虽然左右两边各种元素的原子个数都是相等的，并不违反物质不灭定律，但它里面各物质分子式前面的系数有公因子，不是最简单的数目关系，因此这样的写法仍是不正确的。

例2.磷在高温时在氧气里燃烧生成五氧化二磷。

观察式子 $%5Cce%7BP%20%2B%20O2%E2%80%94P2O5%7D$

两边磷原子和氧原子的数目都不相等，配平时，只要在左边反应物磷的元素符号前面配上系数“2”，氧气分子式前面配上系数“ $2%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20$ ”（即 $%5Cce%7B2P%20%2B%202%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20O2%E2%80%94%E2%80%94P2O5%7D$ ）后，左右两边各种元素的原子数就都相等。但是，分子式一般是代表分子的，而分子是组成物质的最小微粒。因此，在化学方程式里，分子式前面的系数，一般都应写成整数。把上面式子里各种物质分子式前面的系数都乘以“2”，就能消去氧气分子式前面的分数。磷在氧气里燃烧的化学方程式的完整写法是： $%5Cce%7B4P%20%2B5%20O2%3D%E9%AB%98%E6%B8%A9%3D2P2O5%7D$

例3.氯酸钾加热分解生成氯化钾并放出氧气。

在式子 $%5Cce%7BKClO3%E2%80%94%E2%80%94KCl%20%2B%20O2%7D$ 里，左右两边的钾原子、氯原子数目是相等的，只有氧的原子数目不相等。如果在右边氧气分子式前面配上系数“ $1%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20$ ”（即 $%5Cce%7BKClO3%E2%80%94%E2%80%94KCl%20%2B%201%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20O2%7D$ ）后，两边各种元素的原子数就完全相等。为了消去氧气分子式前面系数里的分数，把式子里各种物质的系数都乘以“2”，然后把式子里的直线改成等号，在等号上面注明反应条件，并在氧气分子式右边用符号“个”表示它的状态（气态），就得到这个反应的完整的化学方程式： $%5Cce%7B2KClO3%3D%E5%8A%A0%E7%83%AD%3D2KCl%20%2B3%20O2%E2%86%91%7D$

在配平化学方程式时，要注意防止发生一种容易产生的错误：例如，在配平氯酸钾分解反应的化学方程式 $%5Cce%7BKClO3%E2%80%94%E2%80%94KCl%20%2B%20O2%7D$ 时，有些初学化学的人，为了使式子两边的原子数目相等，把氯酸钾的分子式改为“ $KClO_2$ ”，或把氧气的分子式改为“ $O_3$ ”.。这都是错误的，因为分子式是代表物质的组成的，而纯净物质具有一定的组成（定组成定律），因此也有一定的分子式。如果我们改变物质的分子式，那所代表的就不是原来的物质，而可能是别种物质或者这种物质根本就不存在。例如，“ $KClO_2$ ”所代表的并不是氯酸钾，同样，“ $O_3$ ”所代表的也不是氧气。因此，化学方程式两边的原子数目，只能通过分子式前面的系数来配平，绝不能改变物质的分子式。

应用化学方程式的计算

在化学方程式中，反应物和生成物都用它们的分子式来表示。我们知道，物质的分子式包含有物质的分子量的意义。因此，一个化学方程式不仅表明哪些物质参加了化学反应和生成了哪些物质；而且还表明了由多少重量的反应物变成了多少重量的生成物。

例如，水分解为氢气和氧气的化学方程式 $%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%E2%86%91%20%2B%20O2%E2%86%91%7D$ 除了表明反应物是水和生成物是氢气和氧气外，还表明每有2个水分子分解，就能产生2个氢分子和1个氧分子。从水的分子式（ $H_2O$ ）可以算出水的分子量是18，2个水分子的重量便是2×18=36。同样可以算出，2个氢分子的重量是4；1个氧分子的重量是32。因此，这个方程式还表明，每36份的水完全分解时，将产生4份的氢气和32份的氧气。或者说，在这个化学反应里，反应物—水，和生成物氢气、氧气，三者的重量比是36：4：32，即9：1：8。

又如，从碳和氧化合生成二氧化碳的化学方程式 $%5Cce%7BC%5B12%5D%20%2BO2%5B2%C3%9716%3D32%5D%3D%E7%82%B9%E7%87%83%3DCO2%5B12%2B2%C3%9716%3D44%5D%E2%86%91%7D$ 可知，在这个反应里，反应物碳、氧气，和生成物二氧化碳三者的重量比是12：32：44，即3：8：11。

根据化学方程式所表明的反应物和生成物之间的重量关系，可以从反应物的重量算出生成物的重量（或其他反应物的重量），也可以从生成物的重量算出反应物的重量（或其他生成物的重量）。

例如计算分解18克水能生成多少克氧气。计算的步骤如下：

（1）写出经过配平的化学方程式： $%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%E2%86%91%20%2B%20O2%E2%86%91%7D$

（2）在有关物质的分子式下面写出重量：在已知重量的物质（水）和要求重量的物质（氧气）的分子式下面，写出它们分子的重量（切勿忘记将物质分子量乘以分子式前面的系数）。

$%5Cquad%5Cquad%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%E2%86%91%20%2B%20O2%E2%86%91%7D%5C%5C%5Csmall2%C3%9718%3D36%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad32%0A%0A$

题目中没有要求计算生成氢气的重量，所以在氢气的分子式下面不必写出它的重量。

然后在这些重量下面，再写出题目中告诉我们的条件（水的重量），和要求的重量（氧气的重量假设为x），它的单位必须和题目中已知重量的物质的重量单位一样。

$%5Cquad%5Cquad%5Cce%7B2H2O%3D%E7%94%B5%E6%B5%81%3D2H2%E2%86%91%20%2B%20O2%E2%86%91%7D%5C%5C%5Csmall2%C3%9718%3D36%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad32%5C%5C%5Cquad%5Cquad%5Csmall18%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7Bx%E5%85%8B%7D%0A%0A$

【山注，B站专栏公式代码——\quad\quad\ce{2H2O=电流=2H2↑ + O2↑}\\ \small2×18=36\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad32\\\quad\quad\small18克\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad{x克}】

（3）列出比例式并解这比例式：根据上式可以看出，36克水完全分解后，可以得到32克氧气。现在有18克水分解后可得氧气x克。根据这个重量关系（可以看出，这是正比例关系），列成比例式，得，36克：18克=32克：x克，解这比例式，得： $x%3D%5Cfrac%7B18%C3%9732%7D%7B36%7D%3D16%EF%BC%88%E5%85%8B%EF%BC%89%20$ ，即分解18克水能生成16克氧气。

计算这一类题目时，我们可以按下列的格式书写：

例4.多少克铁全部和氧气化合后，才能生成23.2克四氧化三铁？

【解】设需要x克铁。

$%5Cquad%5Cce%7B3Fe%20%2B%20O2%3D%E7%81%BC%E7%83%AD%3DFe3O4%7D%5C%5C%20%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Csmall3%C3%9756%3D168%5Cquad%5Cquad%5Cquad3%C3%9756%2B4%C3%9716%3D232%5C%5C%5Cquad%5Csmall%7Bx%7D%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7B23.2%E5%85%8B%7D$

168克：x克=232克：23.2克， $x%3D%5Cfrac%7B168%C3%9723.2%7D%7B232%7D%3D16.8%EF%BC%88%E5%85%8B%EF%BC%89%20$

答：需要16.8克铁。

例5. 62克磷全部和氧气化合后，能生成五氧化二磷多少克？参加反应的氧气要有多少克？

【解】根据题意，先计算能生成多少克五氧化二磷。设能生成x克五氧化二磷。

$%5Cquad%5Cce%7B4P%20%2B5%20O2%3D%E7%82%B9%E7%87%83%3D2P2O5%7D%5C%5C%20%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Csmall4%C3%9731%3D124%5Cquad%5Cquad%5Cquad2%EF%BC%882%C3%9731%2B5%C3%9716%EF%BC%89%3D284%5C%5C%5Csmall%7B62%7D%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7Bx%E5%85%8B%7D$

124克：62克=284克：x克， $x%3D%5Cfrac%7B62%C3%97284%7D%7B124%7D%3D142%EF%BC%88%E5%85%8B%EF%BC%89%20$

然后再计算参加反应的氧气要多少克.计算的时侯，既可以拿磷的重量作为已知重量，也可以拿算出的五氧化二磷的重量作为已知重量。如果拿磷的重量（62克）作为已知重量，在化学方程式中就写出磷和氧气的重量关系，并设参加反应的氧气有y克。

$%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cce%7B4P%5Cquad%5Cquad%20%2B%5Cquad%5Cquad%20%205O2%3D%E7%82%B9%E7%87%83%3D2P2O5%7D%5C%5C%5Csmall4%C3%9731%3D124%5Cquad%0A%5Cquad5%C3%9732%3D160%5C%5C%5Cquad%5Csmall%7B62%7D%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7By%E5%85%8B%7D$

124克：62克=160克：y克， $y%3D%5Cfrac%7B160%C3%9762%7D%7B124%7D%3D80%EF%BC%88%E5%85%8B%EF%BC%89%20$

如果用五氧化二磷的重量作为已知重量，在化学方程式中就写出五氧化二磷和氧气的重量关系，设参加反应的氧气有z克。

$%5Cce%7B4P%20%2B%20%205O2%3D%E7%82%B9%E7%87%83%3D2P2O5%7D%5C%5C%5Cquad%5Csmall160%5Cquad%5Cquad%5Cquad%0A%5Cquad284%5C%5C%5Cquad%5Cquad%5Csmall%7Bz%7D%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7B142%E5%85%8B%7D$

160克：z克=284克：142克， $z%3D%5Cfrac%7B160%C3%97142%7D%7B284%7D%3D80%EF%BC%88%E5%85%8B%EF%BC%89%20$

从上面的计算可以知道，不论用哪一个作为已知重量，结果都一样。

或者，把这个题目里要求计算的两种物质的重量列成一个式子，将两个未知重量分别假设为x和y：

$%5Cce%7B4P%5Cquad%5Cquad%20%2B%5Cquad%5Cquad%20%205O2%5Cquad%3D%E7%82%B9%E7%87%83%3D%5Cquad2P2O5%7D%5C%5C%5Cquad%5Cquad%5Csmall4%C3%9731%3D124%5Cquad%0A%5Cquad5%C3%9732%3D160%5Cquad%5Cquad2%EF%BC%882%C3%9731%2B5%C3%9716%EF%BC%89%3D284%5C%5C%5Csmall%7B62%7D%E5%85%8B%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7By%E5%85%8B%7D%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%5Cquad%7Bx%E5%85%8B%7D$