普通化学/平衡方程式

平衡方程式

化学方程式很有用，因为它们给出了化学方程式中反应物质的相对量。

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

然而，在某些情况下，我们可能不知道每种反应物质的相对量。幸运的是，我们总是可以找到一个方程的正确系数（每种反应物和产物的相对量）。找到系数的过程称为平衡方程。

在化学反应过程中，原子既不会被创造也不会被破坏。反应前后存在相同的原子；它们只是重新排列。这被称为物质守恒定律，我们可以利用这条定律来帮助我们找到平衡方程的正确系数。

例如，假设在上面的方程式中，我们不知道将产生多少摩尔的氨气

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

从这个方程的左侧，我们可以看到N₂分子中有2个氮原子（每个分子2个原子x1个分子），而3个H₂分子中有6个氢原子（每个分子2个原子x3个分子）。由于物质守恒定律，右侧也必须有2个氮原子和6个氢原子。由于每个结果的氨气分子（NH₃）包含1个氮原子和3个氢原子，因此需要2个分子才能获得2个氮原子和6个氢原子。

一个例子

${\hbox{O}}_{2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	这个化学方程式显示了被消耗和产生的化合物；然而，它没有适当地处理化合物的数量。左侧似乎有两个氧原子，右侧只有一个。但我们知道，两侧的原子数量应该相同。这个方程式被称为不平衡，因为原子数量不同。
${\hbox{O}}_{\color {Blue}2}+{\color {Blue}2}{{\hbox{H}}_{2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	为了使方程式平衡，在每个分子前面添加必要的系数。左侧氢前面的2表示需要两倍于一定数量氧原子的氢原子。系数1没有写出来，因为在没有系数的情况下它是假设的。
${\hbox{N}}_{2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\hbox{NH}}_{3}$	现在，让我们考虑氢气和氮气之间类似的反应。
${\hbox{N}}_{\color {Blue}2}+{{\hbox{H}}_{2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{NH}}_{3}$	通常，最后平衡所有纯元素是最容易的，特别是氢气。首先，在氨气前面加一个 2，氮气就平衡了。
${\hbox{N}}_{\color {Blue}2}+{\color {Red}3}{{\hbox{H}}_{\color {Blue}2}}\to {\color {Blue}2}{\hbox{NH}}_{\color {Red}3}$	这样，生成物中就有 6 摩尔的氢原子，而反应物中只有 2 摩尔。然后在氢气前面加一个系数 3，得到一个完全平衡的反应。

平衡某些反应的技巧

燃烧

燃烧反应是指碳链（基本上是由碳、氢，可能还有氧组成的分子）与氧气反应生成二氧化碳和水以及热量的反应。燃烧反应可能非常复杂。

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

幸运的是，有一种简单的方法来平衡这些反应。

首先，请注意 C₆H₆ 中的碳只能出现在生成物侧的 CO₂ 中。因此，我们可以在 CO₂ 前面写一个系数 6。

接下来，请注意 C₆H₆ 中的氢气只能进入 H₂O。因此，我们在 H₂O 前面加一个 3。

生成物侧有 15 个氧原子，因此反应物侧有 ${\frac {15}{2}}$ 个 O₂ 分子。为了使其成为整数，我们将所有系数乘以 2。

另一个例子

有用的提示！
注意：分数在技术上允许作为系数，但通常应避免。将所有系数乘以分母以消除分数。

${\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{{\hbox{O}}_{2}}\to {\hbox{CO}}_{2}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	随着反应变得更加复杂，它们也变得更加难以平衡。例如，丁烷（打火机油）的燃烧。
${\hbox{C}}_{\color {Red}4}{\hbox{H}}_{\color {Blue}10}+{{\hbox{O}}_{2}}\to {\color {Red}4}{\hbox{CO}}_{2}+{\color {Blue}5}{\hbox{H}}_{\color {Blue}2}{\hbox{O}}$	再次，最好将纯元素留到最后，所以我们首先平衡碳和氢气。然后可以平衡氧气。很容易看出，一摩尔的丁烷会产生四摩尔的二氧化碳和五摩尔的 水。
${\color {OliveGreen}2}{\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{{\hbox{O}}_{\color {OliveGreen}2}}\to {\color {OliveGreen}8}{\hbox{CO}}_{2}+{\color {OliveGreen}10}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	现在右边有 13 个氧原子，左边只有 2 个。奇数个氧原子无法通过元素氧原子来平衡。由于元素氧原子是双原子的，因此在几乎所有的燃烧反应中都会出现这个问题。只需将除氧原子以外的所有物质都乘以 2，就可以在产物中得到偶数个氧原子。
$2{\hbox{C}}_{4}{\hbox{H}}_{10}+{\color {Blue}13}{{\hbox{O}}_{\color {Blue}2}}\to {\color {Blue}8}{\hbox{CO}}_{\color {Blue}2}+{\color {Blue}10}{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	碳和氢原子仍然是平衡的，现在产物中也有偶数个氧原子。最后，反应就可以平衡了。