普通化學/平衡方程式

平衡方程式

化學方程式很有用，因為它們給出了化學方程式中反應物質的相對量。

${\hbox{N}}_{2}+3{{\hbox{H}}_{2}}\to 2{\hbox{NH}}_{3}$

然而，在某些情況下，我們可能不知道每種反應物質的相對量。幸運的是，我們總是可以找到一個方程的正確係數（每種反應物和產物的相對量）。找到係數的過程稱為平衡方程。

在化學反應過程中，原子既不會被創造也不會被破壞。反應前後存在相同的原子；它們只是重新排列。這被稱為物質守恆定律，我們可以利用這條定律來幫助我們找到平衡方程的正確係數。

例如，假設在上面的方程式中，我們不知道將產生多少摩爾的氨氣

${\hbox{N}}_{2}+3{{\hbox{H}}_{2}}\to {\color {Red}?}{\hbox{NH}}_{3}$

從這個方程的左側，我們可以看到N₂分子中有2個氮原子（每個分子2個原子x1個分子），而3個H₂分子中有6個氫原子（每個分子2個原子x3個分子）。由於物質守恆定律，右側也必須有2個氮原子和6個氫原子。由於每個結果的氨氣分子（NH₃）包含1個氮原子和3個氫原子，因此需要2個分子才能獲得2個氮原子和6個氫原子。

一個例子

${\hbox{O}}_{2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	這個化學方程式顯示了被消耗和產生的化合物；然而，它沒有適當地處理化合物的數量。左側似乎有兩個氧原子，右側只有一個。但我們知道，兩側的原子數量應該相同。這個方程式被稱為不平衡，因為原子數量不同。
${\hbox{O}}_{\color {Blue}2}+{\color {Blue}2}{{\hbox{H}}_{2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	為了使方程式平衡，在每個分子前面新增必要的係數。左側氫前面的2表示需要兩倍於一定數量氧原子的氫原子。係數1沒有寫出來，因為在沒有係數的情況下它是假設的。
${\hbox{N}}_{2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\hbox{NH}}_{3}$	現在，讓我們考慮氫氣和氮氣之間類似的反應。
${\hbox{N}}_{\color {Blue}2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{NH}}_{3}$	通常，最後平衡所有純元素是最容易的，特別是氫氣。首先，在氨氣前面加一個 2，氮氣就平衡了。
${\hbox{N}}_{\color {Blue}2}+{\color {Red}3}{{\hbox{H}}_{\color {Blue}2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{NH}}_{\color {Red}3}$	這樣，生成物中就有 6 摩爾的氫原子，而反應物中只有 2 摩爾。然後在氫氣前面加一個係數 3，得到一個完全平衡的反應。

平衡某些反應的技巧

燃燒

燃燒反應是指碳鏈（基本上是由碳、氫，可能還有氧組成的分子）與氧氣反應生成二氧化碳和水以及熱量的反應。燃燒反應可能非常複雜。

$2{\hbox{C}}_{6}{\hbox{H}}_{6}+15{\hbox{O}}_{2}\to 12{\hbox{CO}}_{2}+6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$

幸運的是，有一種簡單的方法來平衡這些反應。

首先，請注意 C₆H₆ 中的碳只能出現在生成物側的 CO₂ 中。因此，我們可以在 CO₂ 前面寫一個係數 6。

接下來，請注意 C₆H₆ 中的氫氣只能進入 H₂O。因此，我們在 H₂O 前面加一個 3。

生成物側有 15 個氧原子，因此反應物側有 ${\frac {15}{2}}$ 個 O₂ 分子。為了使其成為整數，我們將所有係數乘以 2。

另一個例子

有用的提示！
注意：分數在技術上允許作為係數，但通常應避免。將所有係數乘以分母以消除分數。

${\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{{\hbox{O}}_{2}}\to {\hbox{CO}}_{2}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	隨著反應變得更加複雜，它們也變得更加難以平衡。例如，丁烷（打火機油）的燃燒。
${\hbox{C}}_{\color {Red}4}{\hbox{H}}_{\color {Blue}10}+{{\hbox{O}}_{2}}\to {\color {Red}4}{\hbox{CO}}_{2}+{\color {Blue}5}{\hbox{H}}_{\color {Blue}2}{\hbox{O}}$	再次，最好將純元素留到最後，所以我們首先平衡碳和氫氣。然後可以平衡氧氣。很容易看出，一摩爾的丁烷會產生四摩爾的二氧化碳和五摩爾的 水。
${\color {OliveGreen}2}{\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{{\hbox{O}}_{\color {OliveGreen}2}}\to {\color {OliveGreen}8}{\hbox{CO}}_{2}+{\color {OliveGreen}10}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	現在右邊有 13 個氧原子，左邊只有 2 個。奇數個氧原子無法透過元素氧原子來平衡。由於元素氧原子是雙原子的，因此在幾乎所有的燃燒反應中都會出現這個問題。只需將除氧原子以外的所有物質都乘以 2，就可以在產物中得到偶數個氧原子。
$2{\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{\color {Blue}13}{{\hbox{O}}_{\color {Blue}2}}\to {\color {Blue}8}{\hbox{CO}}_{\color {Blue}2}+{\color {Blue}10}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	碳和氫原子仍然是平衡的，現在產物中也有偶數個氧原子。最後，反應就可以平衡了。