化学相关:化学方程式

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化学反应前后,很多东西都变了。很多东西也没变,比如说元素的种类,原子的个数,但在微观现象还没被认知的时候,人们还不知道微观上的原子个数不变,也推导不出质量不变。

化学之父小作坊主拉瓦锡在1774年通过精确的定量实验研究了氧化汞(\rm HgO)的分解和合成反应中各物质质量之间的变化关系。他将45.0份质量的氧化汞加热分解,恰好得到了41.5份质量的汞和3.5份质量的氧气,反应前后各物质的质量总和没有改变。

由此我们可以得出结论,参加化学反应的各物质质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。也就是,化学反应前后,质量守恒。这个规律,就是质量守恒定律

质量守恒定律只能解释化学变化,并且,所有化学反应都遵守质量守恒定律

其微观解释,就是因为化学反应的本质是分子破裂成原子,原子重新组合成新分子,而原子的种类数目质量不变,元素的种类质量也不变。自然质量是不变的。而分子种类与物质种类一定发生改变,分子个数可能发生改变。

一、质量守恒定律的探究

我们之前在探究空气中氧气的含量的实验时使用了红磷燃烧。这一次也可以。

1、通过红磷燃烧

在底部铺有细沙的锥形瓶中,放入一小堆干燥的红磷,在锥形瓶口的橡胶塞上安装一根玻璃管,在其上端系牢一个小气球,并使玻璃管下端能与红磷接触。将锥形瓶和玻璃管放在托盘天平上用砝码平衡,记录所称的质量。

然后,取下锥形瓶,将橡胶塞上的玻璃管放到酒精灯火焰上灼烧至红热后,迅速用橡胶塞将锥形瓶塞紧,并将红磷引燃。待锥形瓶冷却后,重新放到托盘天平上,记录所称的质量。

我们会发现,两次的质量相等。

关于如何使用托盘天平,请参见初中物理教科书。(停顿)我们在此处再次给出如何使用托盘天平。

把天平放在水平工作台上。取下垫圈,将游码移至称量标尺左端的“0”刻度线。调节平衡螺母,直至天平横梁平衡。(停顿)

但在化学这门学科中,一般使用定量方法的时候,都是先将对应质量的砝码放在右盘,把游码调节至对应质量的刻度处,再放置物质至左盘,与物理需要知道物质的质量不同。

称量干燥的固体药品之前,应该在两个托盘上各放一张干净的大小相同的纸片(称量纸),然后把药品放在纸上称量。易潮解的药品(比如氢氧化钠),必须放在玻璃器皿(如小烧杯、表面皿)里称量。

因此,我们其实可以不去记录质量的准确数字,而是观察反应前后,天平是否都平衡。

2、通过铁与硫酸铜溶液反应

在锥形瓶中加入适量稀硫酸铜溶液(\rm CuSO_4),塞好橡胶塞。将几根铁钉用砂纸打磨干净,将盛有硫酸铜溶液的锥形瓶和铁钉一起放在托盘天平上称量,记录所称的质量。

将铁钉浸到硫酸铜溶液中,观察实验现象。待反应一段时间后溶液颜色改变时,将盛有硫酸铜溶液和铁钉的锥形瓶放在托盘天平上测量,记录所称的质量。

我们可以观察到,锥形瓶内,铁钉表面生成红色固体,溶液颜色从蓝色变成浅绿色,两次质量又一次相等了。反应表达式如下。

\rm Fe+CuSO_4\longrightarrow Cu+FeSO_4

通过盐酸与碳酸钠粉末反应

把盛有盐酸的小试管小心地放入装有碳酸钠粉末的小烧杯中,将小烧杯放在托盘天平上用砝码平衡。取下小烧杯,并将其倾斜,使小试管中的盐酸进入小烧杯中,观察现象。反应进行一段时间以后,再把烧杯放回托盘天平。天平是否仍然平衡呢?

反应表达式如下。

\rm HCl+Na_2CO_3\longrightarrow NaCl+H_2O+CO_2

我们观察到,小烧杯中产生大量气泡,天平指针向右偏转。

不是说化学反应前后质量守恒吗?为什么这次没有平衡呢?

观察反应的表达式。我们发现,生成物中有二氧化碳气体。气体在反应时会逸出烧杯,所以,我们在反应后称量的质量,并不是反应生成物的质量而是反应生成物中固体和液体质量。反应后生成的二氧化碳的质量并没有称量在内。根据质量守恒的内容,参加化学反应的各物质质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和,我们发现,这个反应依然遵循质量守恒定律。

我们还可以通过镁条燃烧来探究。这里不再展开。我们在分析这个实验的时候,要注意,生成物并不是气体,但是,生成物附着在其他物体的表面,因而称量的质量也不都是生成物的质量。

通过质量守恒定律,我们可以改进原有的反应表达式,变成化学方程式来定量计算。

二、化学方程式

书写化学方程式有几个原则。

  • 以客观事实为依据
  • 遵守质量守恒定律

书写步骤(以电解水为例)

1、写

\rm H_2O -\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!- H_2+O_2

2、配(配平)

要让左边反应物的各元素的原子个数等于右边生成物的各元素的原子个数。

\rm 2H_2O =\!=\!=\!=2H_2+O_2

3、标

在等号上方标注反应的条件。还要在生成物侧根据要求,标上气体生成符号“↑”和沉淀符号“↓”。

\rm 2H_2O\overset{\text{Electrify}}{=\!=\!=\!=\!=}2H_2\uparrow +O_2\uparrow

气体生成符号一般根据“前无后有”的原则,也就是说反应物中,如果没有气体,而生成物中有气体,要在相应的化学式后,加上等高的↑。

例如:

\rm 2NO+O_2+4CO\overset{Catalyst}{=\!=\!=\!=\!=\!=}N_2+4CO_2

反应物与生成物中都有气体,则不打气体生成符号。条件的中文一般写作催化剂

再例如:

\rm 3Fe+4H_2O\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}Fe_3O_4+4H_2

高温条件下,水是气态的,因此氢气后不打气体生成符号。

在高中教学中,会学习一些其他的化学方程式,比如热化学方程式。这要求在化学式后书写括号,在内部标注物质的状态:g(即 gaseous,气态的)、l(liquid,液态的)、s(solid,固态的)、aq(aqueous,水溶液的),晶体有时还要标注晶系。初中化学不做要求。

但是,我们可以在水后面标注状态来区分。

\rm 3Fe+4H_2O(g)\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}Fe_3O_4+4H_2

初中化学,考试时请一定不要标注状态,只要标注气体生成符号和沉淀符号。

沉淀符号一般遵循“前溶后沉”的原则。也就是说,溶液中的反应如果反应物和生成物中都有固体,就不打沉淀符号。

例如二氧化碳通入澄清石灰水:

\rm CO_2+Ca(OH)_{2}=\!=\!=CaCO_3 \downarrow +H_2O

再例如(不完整请拖动):

CuSO4 + 2NaOH ═══ Na2SO4 + Cu(OH)2

在这里有一个练习,配平以往文章中出现的反应表达式。这里再给出一个(条件已给出)。

\rm TiCl_4+Mg\overset{High\;temperature}{-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-}Ti+MgCl_2

点击查看答案。

\rm TiCl_4+2Mg\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}Ti+2MgCl_2

三、利用化学方程式进行简单计算

我们现在谈一谈化学方程式的含义。就以点燃氢气为例。

\rm \underset{2\times\left(1\times 2\right)}{2H_2}+\underset{16\times 2}{O_2}\overset{\text{Fire}}{=\!=\!=}\underset{2\times\left(1\times 2+16\right)}{2H_2O}

下方标注的算式是各物质的质量份数。计算结果为:4、32、36。

宏观上,它表示,氢气和氧气在点燃的条件下生成了水。

微观上,它表示,每两个氢分子和一个氧分子点燃时生成两个水分子。

质量上,它表示,每4份质量的氢气和每32份质量的氧气完全反应生成36份质量的水。

例:31.6克的高锰酸钾受热完全分解,可以生成多少氧气?

答题格式如上。

下一期,碳与碳的氧化物,记得来看。

Lake桑

2019.1.19

发布者

lakejason0

日常潜水~ Blog:https://lakejason0.wordpress.com

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