初中化学 14 用化学符号表示物质的变化

1、物质的守恒

不知道你有没有观察过下雨前后天空的变化，大雨前总是乌云密布，而每次下完雨之后，总是一个阳光明媚、万里无云的晴天，那些“云朵”去了哪里？物理中的物态变化告诉我们，那些云其实是天空中聚集的小水滴，下雨时这些小水滴变大落下来，看起来云“消失”了，其实是从天上的云变成了地上的水。在这个过程中水滴其实并没有“凭空消失”，而且总量一点没少，这就是最简单的物质守恒。守恒是一种非常朴素的哲学观念，比如中国古代的“五行说”，认为金木水火土相互转化，这其中隐含的观点就是总量不变。古希腊哲学家也提出 “无中不能生有”，认为物质不会凭空产生或消失。这些早期的哲学思考，为后来科学上的质量守恒、能量守恒等定律埋下了思想种子，让科学家在面对复杂现象时，会下意识去寻找那个“不变的东西”。

17世纪，英国化学家波义耳在实验室里加热一块金属锡，他将锡放入敞口坩埚，点燃酒精灯，看着银白色的金属逐渐变成灰黑色的粉末。称量后发现，粉末质量比原来的锡重了。当时人们信奉“火粒子”学说，波义耳便认为，是燃烧时空气中的“火粒子”钻进了锡里，才让质量增加。这个结论后来被证明并不完全正确 —— 他忽略了敞口容器中氧气的参与。

1774 年，法国化学家拉瓦锡设计了一个密闭的曲颈瓶装置：将液态汞倒入瓶中，瓶口连接一个装满水银的钟罩，整个装置密封后称重。加热时，汞表面慢慢出现红色粉末，钟罩里的水银面逐渐上升，说明有气体被消耗。反应结束后，拉瓦锡称了整个密闭装置的总质量，发现和反应前一样。接着，他打开活塞，空气立刻涌入钟罩，水银面开始下降，当水银面下降到一开始的位置的时候，它测量的进入的氧气体积，进而计算出了进入的氧气质量。 经测量发现：进入的氧气的质量正好等于反应后固体增加的质量。

于是拉瓦锡认为：在化学反应中，物质的总质量既不会没有增加也不会减少。

19 世纪初，道尔顿的原子论为质量守恒定律找到了理论根基。他提出，原子是化学变化中的最小粒子，化学反应不过是原子的重新组合 —— 就像搭积木，无论怎么拼搭，积木的总数和总质量都不会变。比如氢气和氧气反应生成水，2个氢分子和1个氧分子拆成4个氢原子和2个氧原子，再重新拼成2个水分子，原子种类、数目都没变，总质量自然守恒。

2、化学方程式

早期人们用图形符号表示物质，比如 18 世纪贝格曼用“☉”代表氧、“☽” 代表氢。19 世纪道尔顿用圆圈加符号表示原子，比如“○”代表氢原子、“●” 代表氧原子，水就画成“○●○”。后来贝采里乌斯提出用元素符号表示原子，比如H代表氢原子、O代表氧原子，水分子写成HO。直到阿伏伽德罗分子假说被认可，人们才知道水是H₂O，氢气和氧气反应生成水的式子写成 H₂+O₂→H₂O。再后来为了体现原子守恒，我们将上面的反应式配平后变成：

 2H₂+O₂=2H₂O

于是就出现了化学方程式，化学方程式的本质就是用符号来表示构成物质的分子拆分后重新组合成另外一种分子的过程。左边写反应物分子，右边写生成物分子，中间用箭头或等号连接，配上系数保证原子种类和数目不变，这样可以非常直观地知道在一个化学反应中物质内部发生了什么变化。

现在我们用化学方程式来表示之前介绍过的那些化学变化。

碳和氧气反应：氧分子拆成氧原子，1个碳原子和2个氧原子结合成二氧化碳分子，方程式

 C+O₂ = CO₂

铜和氧气反应：氧分子拆成氧原子，每个铜原子和一个氧原子结合成氧化铜分子，方程式

 2Cu+O₂=2CuO

汞和氧气反应：氧分子拆成氧原子，每个汞原子和一个氧原子结合成氧化汞分子，方程式 

2Hg+O₂=2HgO

磷和氧气反应：氧分子拆成氧原子，每个磷原子和四个氧原子结合成五氧化二磷分子，方程式

 4P+5O₂ = 2P₂O₅

硫和氧气反应：氧分子拆成氧原子，每个硫原子和两个氧原子结合成二氧化硫分子，方程式

 S+O₂ = SO₂

铁和氧气反应：氧分子拆成氧原子，三个铁原子和四个氧原子结合成四氧化三铁分子，方程式 ：

3Fe+2O₂ = Fe₃O₄

镁和氧气反应：氧分子拆成氧原子，每个镁原子和一个氧原子结合成氧化镁分子，方程式

 2Mg+O₂ = 2MgO

加热高锰酸钾制氧气：高锰酸钾分子拆成钾原子、锰原子和氧原子，这些原子重新组合成锰酸钾分子、二氧化锰分子和氧分子，方程式

 2KMnO₄=K₂MnO₄+MnO₂+O₂

加热氯酸钾制氧气：氯酸钾分子拆成钾原子、氯原子和氧原子，重新组合成氯化钾分子和氧分子，方程式

 2KClO₃MnO₂△=2KCl+3O₂

水的分解：水分子拆成氢原子和氧原子，氢原子结合成氢分子，氧原子结合成氧分子，方程式

 2H₂O = 2H₂+O₂

铁生锈：铁原子、水分子和氧分子反应，水分子和氧分子拆成氢原子、氧原子，与铁原子组合成氧化铁水合物，简化方程式 4Fe+3O₂+2nH₂O=2Fe₂O₃・nH₂O

植物光合作用：二氧化碳分子和水分子拆成碳、氢、氧原子，重新组合成葡萄糖分子和氧分子，方程式

 6CO₂+6H₂O  = C₆H₁₂O₆+6O₂

生石灰加水：氧化钙分子和水分子反应，拆成钙原子、氧原子、氢原子，组合成氢氧化钙分子，方程式

 CaO+H₂O=Ca(OH)₂

碳酸钙分解：碳酸钙分子拆成钙原子、碳原 子、氧原子，组合成氧化钙分子和二氧化碳分子，方程式

 CaCO₃ = CaO+CO₂

水和二氧化碳与碳酸钙反应：碳酸钙分子、二氧化碳分子、水分子拆成钙原子、碳原子、氧原子、氢原子，重新组合成碳酸氢钙分子，方程式

 CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca(HCO₃)₂

说明：一些反应中分子不会完全拆成单个原子，而是以原子团形式部分拆分或整体参与重组。比如碳酸钙和二氧化碳、水反应时，碳酸钙中的碳酸根原子团结合氢离子形成碳酸氢根原子团，没有拆成单个碳、氧原子；高锰酸钾分解时，高锰酸根原子团部分转化为锰酸根原子团和二氧化锰，也不是完全拆成单个原子。