3-2 化學反應式與平衡 當物質發生化學變化時，常發生巨觀性質的 改變。如生成沉澱、能量的變化、顏色改變 及生成氣體⋯ ⋯等。根據上述的現象，化 學家嘗試將化學反應以化學反應式來描述， 做為在討論化學反應時的共同語言。 化學反應表示法 化學反應式的平衡 沉澱 顏色變化 能量變化 生成氣體

3-2 化學反應式與平衡 學習目標： 認識化學反應式的意義， 及學習如何平衡化學反應式

3-2.1 化學反應表示法 1. A 、 B 稱為反應物，若有兩種或兩種以上反應物， ⇒以「 + 」連接 2. C 、 D 稱為產物，若有兩種或兩種以上產物， ⇒以「 + 」連接 3. 「 → 」反應方向，若有特殊反應條件，則在箭 頭上方 ( 或下方 ) 表示。 ⇒反應條件如：溫度、壓力與催化劑等

3-2.1 化學反應表示法 4. a 、 b 、 c 、 d 稱為平衡係數，表示反應物與產物 反應前後的莫耳數關係。 5. 反應物與產物的物理狀態，則以縮寫符號表示， (1) 「 s 」： (2) 「 aq 」： (3) 「 g 」： (4) 「 l 」： 固態 水溶液 氣態 液態 (solid) (aqueous) (gas) (liquid)

 以氫氣在空氣中燃燒產生水蒸氣為例： 反應物產物 2 個氫分子與 1 個氧分子反應產生 2 個水分子 2 莫耳氫分子與 1 莫耳氧分子反應產生 2 莫耳水分子 4.04 克 H 2 與 克 O 2 反應產生 克 H 2 O  加上物理狀態

 固態的氧化汞分解成液態汞金屬與氧氣：  加熱氯酸鉀製備氧氣，以二氧化錳為催化劑：  反應條件不同時，反應往往會有不同的結果， 以氨氣與氧氣的反應為例：

範例 3-5 哈柏法製氨 (Haber process) ，是在鐵粉 催化下，將壓力控制在 350 atm 、溫度控 制在 500 ℃，使氮氣與氫氣反應成氨。 反應中，每消耗 1 莫耳氮氣和 3 莫耳氫 氣可產生 2 莫耳氨氣。就前述所學，寫 出此一化學反應式。 解答

練習題 3-5 碳酸氫鈉 (NaHCO 3 ) 俗稱小蘇打，常作為 胃藥中的制酸劑成分。每莫耳碳酸氫鈉 可中和 1 莫耳鹽酸，而產生 1 莫耳氯化 鈉和 1 莫耳水，並釋出 1 莫耳二氧化碳 氣體。寫出上述反應的化學反應式。 解答

3-2.2 化學反應式的平衡  反應式的係數必須平衡，以便滿足下述條件： 1.原子不滅：反應前後原子的種類不變和數目相等 。例如： 2H 2 + O 2 → 2H 2 O ★反應前後 H 原子與 O 原子的數目不變。 2.電荷不滅：反應前總電荷數等於反應後的總電荷 數。例如： Cu + 2Ag + →Cu Ag ★化學反應式左右兩邊的總電荷數相等。  常用的化學反應式平衡方法有： 觀察法、代數法、氧化數法和半反應法。 氧化還原，以後學

以觀察法平衡化學反應式 步驟 1 寫出包含反應物和產物的未平衡化學反應式 步驟 2 若在反應式兩邊各僅有一化合物含有此元素時， 就先將含此元素原子數多者之係數定為 1 以汽油成分之一的液態辛烷 (C 8 H 18 ) 燃燒反應為例

★係數 1 者省略並平衡左右兩邊的 C 與 H ： 步驟 3 若在化學反應式兩邊的一方有單獨的元素時， 最後才平衡它 ★平衡左右兩邊的 O ：

步驟 4 平衡反應式的係數若有分數時，則所有係數乘 上適當的倍數，使其成為最簡單整數比 步驟 5 將反應式兩邊每一種原子數加總， 確認反應式已完成平衡 C ： 2 × 8 ＝ 16 × 1 ＝ 16 個碳原子 H ： 2 × 18 ＝ 18 × 2 ＝ 36 個氫原子 O ： 25 × 2 ＝ 16 × × 1 ＝ 50 個氧原子

以代數法平衡化學反應式 步驟 1 寫出包含反應物和產物的未平衡化學反應式 步驟 2 設立未知數，以 x 、 a 、 b 、 c 、 d 、 e 分別代表反應式中由左而右各物質的係數 以水合硫酸四氨銅受熱分解的反應為例

步驟 3 利用原子不滅與電荷不滅建立聯立方程式 Cu ： x ＝ a N ： 4x ＝ c + d H ： 14x ＝ 3d + 2e S： x＝bS： x＝b O ： 5x ＝ a + 2b + c + e

步驟 4 解出各係數的最簡單整數比 Cu ： x ＝ a N ： 4x ＝ c+d H ： 14x ＝ 3d+2e S： x＝bS： x＝b O ： 5x ＝ a+2b+c+e 1. 令 x = 1 2. 解得 a = 1 ， b = 1 ， c = 2/5 ， d = 18/5 ， e = 8/5 3. 故 x ： a ： b ： c ： d ： e = 1 ： 1 ： 1 ： 2/5 ： 18/5 ： 8/5 = 5 ： 5 ： 5 ： 2 ： 18 ： 8

步驟 5 將反應式兩邊每一種原子數加總， 確認反應式已完成平衡 Cu ： 5 × 1 ＝ 5 × 1 ＝ 5 個銅原子 N ： 5 × 4 ＝ 2 × × 1 ＝ 20 個氮原子 H ： 5 × 4 × × 2 ＝ 18 × × 2 ＝ 70 個氫原子 S ： 5 × 1 ＝ 5 × 1 ＝ 5 個硫原子 O ： 5 × × 1 ＝ 5 × × × × 1 ＝ 25 個氧原子

範例 3-6 在實驗室中，將橘色二鉻酸銨 ((NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 ) 固體 加熱分解，會產生綠色的三氧化二鉻、氮氣及水蒸 氣，造成類似火山爆發的景象，試平衡此化學反應 式。

(1) 將 (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 之係數定為 1 ： (2) 依據原子不滅，平衡左、右兩邊的原子： 解答：觀察法

(1) 假設係數依次為： a 、 b 、 c 、 d (2) 依據原子不滅，平衡左、右兩邊的原子： 解答：代數法 N ： 2a ＝ 2b H ： 8a ＝ 2d Cr ： 2a ＝ 2c O ： 7a ＝ 3c + d 1. 令 a = 1 2. 解得 b = 1 ， c = 1 ， d = 4 3. a ： b ： c ： d = 1 ： 1 ： 1 ： 4

練習題 3-6 鹽酸與硫代硫酸鈉反應，其未平衡之反應式如下： 以代數法平衡之 解答 (1) 假設係數依次為： x 、 a 、 b 、 c 、 d 、 e (2) 解法如前所述，解得 x ： a ： b ： c ： d ： e = 2：1：2：1：1 ：1= 2：1：2：1：1 ：1

學習成果評量 1. 以「觀察法」平衡以下化學反應式： 解答 (1) CH 3 OH + O 2 → CO 2 + H 2 O (2) HCl + KMnO 4 → Cl 2 + KCl + MnCl 2 + H 2 O (1) 2CH 3 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 4H 2 O (2) 16HCl + 2KMnO 4 → 5Cl 2 + 2KCl + 2MnCl 2 + 8H 2 O

2. 以「代數法」平衡以下化學反應式： 解答 (1) Cu + HNO 3 → Cu(NO 3 ) 2 + NO 2 + H 2 O (2) (NH 4 ) 2 SO 4 + K 2 Hg I 4 + KOH → NHg 2 I ‧ H 2 O + K I + K 2 SO 4 + H 2 O (1) aCu + bHNO 3 → cCu(NO 3 ) 2 + dNO 2 + eH 2 O Cu ： a ＝ c N ： b ＝ 2c + d H ： b ＝ 2e O ： 3b ＝ 6c + 2d + e 令 b = 1 解得 a = 1/4 ， c = 1/4 ， d = 1/2 ， e = 1/2 故 a：b：c：d：e故 a：b：c：d：e = 1/4 ： 1 ： 1/4 ： 1/2 ： 1/2 = 1：4：1：2：2= 1：4：1：2：2

解答 (2) a(NH 4 ) 2 SO 4 + bK 2 Hg I 4 + cKOH → dNHg 2 I ‧ H 2 O + eK I + fK 2 SO 4 + gH 2 O N ： 2a ＝ d H ： 8a + c ＝ 2d + 2g S：a＝fS：a＝f O ： 4a + c ＝ d + 4f + g K ： 2b + c ＝ e + 2k Hg ： b ＝ 2d I ： 4b ＝ d + e 令 a = 1 解得 b = 4 ， c = 8 ， d = 2 e = 14 ， f = 1 ， g = 6 故 a：b：c：d：e ：f ：g故 a：b：c：d：e ：f ：g = 1 ： 4 ： 8 ： 2 ： 14 ： 1 ： 6