内容概要
用速记写化学
化学方程式简史
质量守恒：一种平衡行为
平衡方程表示比例
化学方程式是描述化学反应的有效方法。本模块解释用速记符号来表示原子在化学反应过程中如何重新排列以制造新化合物。它显示了平衡的化学方程式如何传达所涉及的每种反应物和产物的比例。本模块追溯过去四个世纪，我们对化学过程理解的不断加深，化学方程式随之发展。看一下化学方程式，你就会发现：在典型的化学反应中，没有多出什么少掉什么——物质只是改变了形式。想象在一个异国他乡旅行，汽车消声器生锈掉了下来。你需要换上新的消声器，但你又不会说当地语言。现在花点时间画一张草图，表达你正在寻找一家可以安装新零件的修车铺。图画包括一辆汽车、一个消声器、一家店铺、一个拿着螺丝刀或其他工具的人。看看你的草图，想想你和观众需要分享什么才能传达你的信息。同样的照片在500年前给人看，没人知道汽车是什么，消声器是做什么的，更别说会有人专门安装它们。但是二十一世纪的人可以理解你的草图，因为你们对汽车有共同的了解。化学方程式在人们传达有关化学反应过程中发生的信息方面发挥着类似的作用。你可能还记得，在化学反应中，化合物中原子之间的键被破坏，原子重新排列以形成新的化合物，在此过程中释放或消耗能量（请参阅“化学反应”模块）。举个例子，让我们考虑一下消声器是怎么了。简单的“生锈”并不能解释太多。说“铁与氧气反应产生铁锈”更好，但不是很精确。究竟什么是生锈？在化学上，它是氧化铁，但铁会形成多种类型的氧化物。因此，我们需要一种非常具体的方式来表达造成消声器掉了的化学反应。用速记写化学
这正是化学方程式的用途：它们是速记，用于精确地传达反应中发生的事情。从最基本的意义上说，化学方程式描述了给定类型和数量的物质（反应物）反应形成特定物质（产物）。反应物将始终按照方程式中给出的比例进行反应。如果一种反应物的供应耗尽，另一种反应物的过量将保持未反应状态。解释汽车零件生锈可以这样速记：
原子或分子前面的数字，我们称之为“系数”（coefficient），告诉我们参与反应或由反应产生的每种物质的相对量。下标中的数字特指它们前面的元素。
换句话说，消声器中的4个铁原子（Fe）与空气中的3个氧分子（O2）发生反应。这些氧分子中的每一个都含有2个氧原子。当化学键重新组装并且这些反应物结合时，结果是 2 个特定氧化铁分子（Fe2O3），其中包含2个铁原子和3个氧原子——又名铁锈。
图1：该消声器中的大量铁与环境中的氧气结合，产生锈蚀并在消声器上留下铁被消耗的孔。图片©：Raymond Webber
这个方程式传达了比粒子数量更深刻的东西：它蕴含了几个世纪以来关于我们的宇宙是由什么组成的以及物质如何相互作用的知识积累。就像一首优雅的诗（或者像你生锈的消声器图画），化学方程式只需几个表达方式就传达了一个复杂概念的世界。
【考考自己】如果一种反应物被完全消耗，剩余的反应物将
a.保持不反应。
化学方程式简史
随着时间的推移，我们对化学过程的理解加深，化学方程式慢慢变得更加复杂。化学被认为是一门重要的科学，独立于医学、炼金术（在十七、十八世纪很流行）和物理学，化学方程式发挥了作用，。第一个已知的书面化学方程式——实际上更像是一个图表——出现在被认为是第一本化学教科书的《化学入门》（ Tyrocinium Chymicum）中。它由法国科学家和教师让·贝甘（Jean Beguin）于 1615 年在巴黎执笔，描述了贝甘用氯化汞加热硫化锑时观察到的情况。汞变成蒸气，留下氯氧化锑的残留物。虽然贝甘的图表看起来与现代化学方程式非常不同（而且并不完全正确），但它反映了对化学反应中反应物和产物的理解。
图 2：这幅图出自让·贝甘的《化学入门》，表示作者所认为的硫化锑与氯化汞反应时发生的情况。该图传达了一种理解，即化学反应从特定的反应物开始并产生特定产物。贝甘表达了人们开始理解化学反应中所发生的事情，但没有解释为什么。一个多世纪过去了，新图表揭示了对驱动反应的现象的更深入的见解。威廉·卡伦（William Cullen）也是一名教师，并于1747年在格拉斯哥大学创立了化学系。他的手写讲义包含使用箭头和字母的图表，表明了四种不同类型的反应：
图 3：威廉·卡伦在十八世纪中叶撰写的一组讲义中的图画，未注明日期。卡伦绘制了这些图纸，希望它们能帮助他的学生更好地理解化学反应。图片©：格拉斯哥大学图书馆左下角的图表描述卡伦所说的“单一选择性吸引力”（single elective attraction），或者我们现在所说的单一取代反应(a single replacement reaction)，即一种元素取代化合物中的另一种元素。（有关反应类型的更多信息，请参阅“化学方程式”模块。左上角是双置换反应图，涉及两种不同化合物中各有一个组分组分做交换。在这两种情况下，反应都会产生沉淀物，由波浪线表示。右边的两张图与盐的溶解有关。在卡伦的时代，普遍的观点是，“选择性吸引力”（elective attractions），我们现在称为“电荷”，导致一种物质中的金属被另一种物质吸引。金属交换了位置，形成新的固体沉淀或溶解在溶液中（有时产生显示出新性质的溶液）。虽然他没有把所有的细节都弄清楚，但卡伦的思维是正确的，他的图表是朝着现在常见的通用化学方程式迈出的重要一步：我们现在可能认为，简单的化学方程式是理所当然的，但在当时，它展示了一些关于化学反应过程中实际发生的事情的非常敏锐的想法。要知道，在卡伦的时代，原子和分子仍然不被理解。在接下来的50年里，三位化学家不断努力，才有了清晰的现代化学方程式的图景。因此，掌握物质在化学反应中结合和交换的想法非常重要。1774年，法国化学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）提出了一个重要的观察结果——他指出，虽然化学反应中的物质以卡伦描述的方式改变了形式，但系统的质量并没有改变。换句话说，存在的每种元素的数量保持不变，这意味着物质和质量是守恒的。当我们讨论平衡化学反应时，这是一个至关重要的概念——在化学反应的开始和结束时都必须充分考虑所有元素。与拉瓦锡同时期，另一位法国人约瑟夫·普鲁斯特（Joseph Proust）正在广泛研究碳酸铜。他发现，无论他如何改变起始反应物的比例——有时添加更多的铜，或者在其他时候添加更多的碳或氧，铜、碳、氧都以恒定的比例一起反应。他的洞察带来了确定比例定律（law of definite proportions）：在任何给定的化合物中，元素都以固定的比例出现，无论它们来自哪里。（访问“化学反应”模块，了解更多关于这些科学家的工作）。同样，这对我们今天来说似乎是显而易见的，因为我们知道元素只会以某些方式一起反应，但普鲁斯特在原子和化合物存在被广泛认可之前就完成了他的工作。最后，在1803年，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）将这些线索联系在一起，提出物质是由无法创造或破坏的独特物质的原子组成的（有关更多信息，请参阅模块“关于物质的早期观点”）。他表明，每种元素都可以与其他多种元素结合形成不同的化合物，并且总是以整数比。这些知识结合在一起，为我们今天使用的化学符号奠定了基础。化学方程式不像数学方程式，数学方程式已经存在了很长时间。虽然等式两边每种元素的数量必须相等，但你永远不会在化学等式中看到“等于”符号。那是因为化学方程式描述了一个变化的过程。【考考自己】今天化学方程式的写法与17世纪基本相同。注：在专业领域的文献中，不论无机、有机反应方程式中均使用箭头号“→ ”来连接反应物和生成物。我国部分中学教材，在书写无机化学反应方程式时使用等号，以更好地表示反应中的“生成”与“质量守恒”含义。（来自百度百科）质量守恒：一种平衡行为
像所有其他反应一样，生锈的消声器的产生是化学变化的一个例子：| Fe + O2 | | → |
| Fe2O3 |
|---|
| Reactants |
| Yield |
| Products |
铁和氧结合形成特定的氧化铁。箭头表示该反应按照所写内容向右进行，这意味着形成了氧化铁。在某些情况下，反应也可以反方向，我们使用双箭头表示某些反应是双向的。不幸的是，对于消声器来说，情况并非如此。现在更仔细地看一下方程式：反应物侧（左）与产物侧（右）有多少个铁原子？有多少个氧原子？目前这个方程式中，它们不相等。然而，我们从物质守恒定律中知道，原子不能被创造或破坏。换句话说，我们不能只是去掉一个铁原子或创造一个氧原子来使方程式起作用。我们也不能改变反应中的下标，因为这样做会表明我们正在从不同的反应物开始或获得不同的产物。我们能做的是调整反应物和产物成分的数量（左边是铁原子和/或氧分子，右边是氧化铁分子），因为这样做并不意味着创造或破坏物质。这是一种记账方式——为了产生一个有两个铁原子的分子，你需要找到这些原子的来源。我们已经知道，每种原子的数量在反应的两侧都不相等。为了解决这个问题，我们可以在反应物和产物前面添加系数，以调整粒子数量并创建一个平衡的方程式。（如果没有系数，则表示只有一种类型的粒子。| Fe + O2 |
| → |
| Fe2O3 |
|---|
| ↑ 1 个铁原子 |
|
|
| ↑ 2 个铁原子 |
由于铁锈分子有两个铁原子，我们必须通过在反应物侧的铁原子前面添加系数“2”来平衡 Fe 原子，因为这是铁出现在方程式左侧的唯一位置。现在我们在等式的两边各有两个铁杆。
| 2Fe + O2 |
| → | | Fe2O3 |
|---|
| ↑ 2个铁原子 |
|
|
| ↑ 2个铁原子 |
继续讨论氧原子，我们发现两个在等式的左侧，但三个在右侧。我们可以通过使用一个半氧分子来数学上平衡方程，因为每个分子由两个氧原子组成。为了更好地理解这一点，将一个氧分子想象成两个原子键合在一起，因此 1.5 个氧分子（O-O 和 O-O）提供三个氧原子：
| 2Fe | + | 1.5O2 |
| → |
| Fe2 | O3 |
|---|
|
| ↑ 3个氧原子 |
|
|
|
| ↑ 3个氧原子 |
然而，在现实世界中，氧气并不存在于半分子中。我们可以通过简单地将所有系数乘以 2 来解决这个难题：
| 4Fe | + | 3O2 Â Â |
| → |
| 2Fe2O3 |
|---|
| ↑ 4个铁原子 |
| ↑ 6个氧原子 |
|
|
| ↑ 4个铁原子 & 6个氧原子 |
现在我们在左侧有4个铁原子，右侧有4个（2个分子，每个分子包含2个铁原子）。对于氧，左侧有6个原子（3个分子，每个分子2个原子），右侧有 6个原子（2个分子含有3个氧原子）。现在，我们有了一个平衡的化学式。
【考考自己】为了创建一个平衡的化学式，我们可以
a.调整反应物和产物前面的系数。
平衡方程表示比例
除了告诉我们反应中涉及多少化合物外，平衡的化学方程式还告诉我们制造特定产品所需的“成分”比例。这有点像食谱。假设正在做一批饼干。该食谱写着12块饼干需要：
你可以按照食谱使用2杯面粉和1杯糖，并期待12块饼干，或者你可以将食谱加倍，使用4杯面粉和2杯糖，期待24块饼干（或者你可以将食谱增加三倍，或一半，依此类推）。同样，要制造2个铁锈分子，需要4个铁原子和3个氧分子：| 4Fe | + | 3O2 |
| → |
| 2Fe2O3 |
|---|
| ↑ 4个铁原子 |
| ↑ 3个氧分子 |
|
|
| ↑ 2个铁锈分子 |
因此，每4个铁原子和3个氧分子，我们就会得到2个铁锈分子。就像对饼干配方所做的那样，你可以把它加倍：从8个铁原子和6个氧分子开始，然后制造4个铁锈分子。无论乘多少，基本比例始终保持不变。然而，在真实的化学世界中，我们并不处理单个原子和分子：从汽车上掉下来的消声器上的铁锈分子不止两个。这就是“摩尔”的概念派上用场的地方。摩尔是粒子的数量，具体来说，摩尔是6.022 x 1023个粒子。换句话说，1摩尔铁原子包含 6.022 x1023个原子。4摩尔铁原子含有四倍的铁原子，即 28.088 x 1023个铁原子。（要复习这些数学，请参阅我们的模块“摩尔和原子质量”）。请注意，化学方程式的平衡，考虑的是每一侧单个原子的数量。物质守恒定律告诉我们，我们不能创造或破坏原子。然而，当我们考虑比例时，我们考虑的是粒子前面的系数，它代表消耗或产生的每种粒子的摩尔数。这些系数告诉我们，在反应开始时存在的反应物摩尔数可以产生多少摩尔的产物。结论
化学方程式巧妙而简洁，寥寥几笔传达大量信息。现代化学方程式反映了我们理解：物质由原子组成，化学反应是键破坏和将原子重新排列成新化合物的过程。质量在化学反应中是守恒的，方程式两边的粒子数必须反映这一点。平衡方程式还传达了该反应中涉及的产物和反应物的比例。资料来源：
Robin Marks, M.A., Anthony Carpi, Ph.D. “Chemical Equations” Visionlearning Vol. CHE-4 (7), 2018.
https://www.visionlearning.com/en/library/chemistry/1/chemical-equations/268
References
Bennet, H. (2015). Antimony sulfide. Chemistry World. Retrieved from: https://www.chemistryworld.com/podcast/antimony-sulfide/8920.article
Cullen, W. & Black, J. (1959). The use of diagrams as chemical 'equations' in the lecture notes of William Cullen and Joseph Black. Annals of Science, 15(2), 75-90.
University of Glasgow. (1997). Cullen Papers. Retrieved from: http://special.lib.gla.ac.uk/exhibns/cullen/index.html
