5.化学反应的定量关系
第五单元 化学反应的定量关系
自学建议 🌟
- 这一单元回答两个问题:"化学反应前后质量怎么变?""化学方程怎么写、怎么算?"是前面化学变化观念的"数学化"。
- 先把"六不变"背熟:宏观看,总质量、元素种类、元素质量不变;微观看,原子种类、原子数目、原子质量不变。这是全单元最该记的一张清单,也是配平的依据。
- 有气体参加或生成的反应,验证质量守恒必须在密闭容器里做。开放容器里质量"看起来不等",往往是因为气体跑掉了或空气进来了,不是定律失效。
- 化学方程式练好四件事:会写化学式、会配平、会标↑↓、会区分"点燃/加热(△)/高温"三个不同条件,缺一不可。
- 计算题按"五步"走:设未知量→写方程式→找质量关系→列比例式→作答。格式分和计算分一样重要。
单元导学(学习目标)
学完这一单元,你要能:
- 准确说出质量守恒定律的内容,并能从"原子重新组合"这个微观角度解释为什么质量守恒。
- 掌握微观本质的"六不变、两改变、一可能改变",会判断反应前后哪些量变、哪些量不变。
- 理解化学方程式的意义,掌握书写原则和配平方法(重点:最小公倍数法)。
- 正确标注反应条件和气体(↑)、沉淀(↓)符号,不再把"点燃"误写成"加热"。
- 能根据化学方程式做简单计算,按"设、写、找、列、答"五步规范解题。
课题1 质量守恒定律
一、质量守恒定律的内容与含义
(一)定律内容
参加化学反应的各物质的质量总和,等于反应后生成的各物质的质量总和。 这句话里有几个关键词,老师帮你拆开讲:
- "参加化学反应的":只有真正反应掉的那部分物质才算进去。比如把 10 g 石灰石扔进盐酸里,若只反应了 8 g,那算质量关系时只能用这 8 g,剩下的 2 g 没反应是"旁观者",不能算。
- "各物质的……质量总和":是所有反应物加在一起,对比所有生成物加在一起,不是"某一种反应物 = 某一种生成物"。
- 任何化学反应都遵守:注意是"化学反应"。物理变化(如冰化成水)不谈质量守恒的这套表述;而只要是化学反应,无论多复杂,这条铁律都成立。
(二)易错提醒 ⚠️
- 错把"反应前物质总质量"等同于"加入烧杯的所有东西质量"——没反应的杂质、溶剂水都不该计入。
- 错以为"质量守恒 = 体积守恒"——质量守恒,体积不一定守恒!反应前后分子可能拆开重排,体积常会变。
- 错以为"质量守恒 = 物质的种类不变"——恰恰相反,物质种类一定改变,这正是后面"两改变"要讲的内容。
(三)记忆口诀 🔑
反应前后比总质量,参加物质加起来;
种类数目都不丢,原子重新排一排。
(四)拓展阅读:定律是怎么被发现的 🕰
- 质量守恒定律又称物质不灭定律,是自然科学的基本规律之一。古代哲学家已提出蕴含质量守恒思想的朴素观点,但停留在思想层面,缺乏实验证据。
- 17 世纪,英国化学家波义耳和俄国化学家罗蒙诺索夫都做过加热金属的实验,并给出了不同的解释。
- 18 世纪,拉瓦锡借助天平进行了较为精密的定量研究:他把 45.0 份质量的氧化汞加热分解,恰好得到 41.5 份质量的汞和 3.5 份质量的氧气(41.5 + 3.5 = 45.0),反应前后各物质的质量总和没有改变。18 世纪 70 年代,他在前人基础上建立了关于燃烧的正确化学理论,为人们从定量角度研究化学变化提供了基本依据。
- 20 世纪初,化学家用精确度很高的实验,使质量守恒定律确立在严谨的科学实验基础之上。
二、实验探究:质量守恒的验证 🔬
教材用四个典型实验带你"眼见为实"。每个实验都要求你同时写出文字表达式和化学方程式——这是本单元的硬功夫,下面一一列清。
(一)实验1:铜与氧气反应(密闭体系,教材"方案一")
- 装置与操作:将铜粉平铺于锥形瓶底部,把上端系有小气球的玻璃导管插入单孔橡胶塞,用橡胶塞塞紧瓶口;先放在天平上称量,记录反应前总质量 m₁;再把锥形瓶置于陶土网上用酒精灯加热,反应一段时间后停止加热,待装置冷却后再次称量,记录 m₂。
- 现象:红色的铜粉逐渐变为黑色(氧化铜);小气球先膨胀后变瘪;天平仍平衡,m₁ = m₂。
- 为什么气球先胀后瘪:加热时瓶内气体受热膨胀,气球鼓起;停止加热冷却后气体收缩,又因瓶内氧气被消耗,气球比原来更瘪。
- 橡胶塞和小气球的作用(教材"想一想"):橡胶塞使装置密闭,防止外界空气进入或瓶内物质逸出;小气球起缓冲压强的作用,防止瓶内气体受热膨胀把橡胶塞冲开。如果没有它们,装置漏气或塞子被冲开,称量结果就不再可靠。
- 文字表达式:铜 + 氧气
氧化铜 - 化学方程式:
(二)实验2:铁与硫酸铜溶液反应(密闭体系,教材"方案二")
- 装置与操作:在锥形瓶中加入用砂纸打磨干净的铁丝,再小心地放入盛有硫酸铜溶液的小试管,塞好橡胶塞,称量记录 m₁;取下锥形瓶并将其倾斜,使小试管中的硫酸铜溶液流入锥形瓶,反应一段时间后再次称量,记录 m₂。
- 现象:铁丝表面覆盖一层红色物质(铜);原本蓝色的硫酸铜溶液逐渐变为浅绿色(硫酸亚铁溶液);天平仍平衡,m₁ = m₂。
- 小知识:教材提到,我国早在西汉时期就发现铁与硫酸铜溶液反应会生成铜,这正是"湿法炼铜"的化学基础。
- 文字表达式:铁 + 硫酸铜
铜 + 硫酸亚铁 - 化学方程式:
(三)实验3:碳酸钠与盐酸反应(敞口体系,实验 5-1)
- 装置与操作:在烧杯中加入碳酸钠,再小心地放入盛有盐酸的小试管,一起放在天平上称量并记录;取下烧杯并将其倾斜,使小试管中的盐酸流入烧杯,观察现象;反应一段时间后再次称量,比较反应前后的称量结果。
- 现象:产生大量气泡(二氧化碳);反应后称量结果变小,m₁ ≠ m₂,且 m₁ > m₂。
- 原因:烧杯是敞口的,生成的 CO₂ 逸散到空气中,没有被称进 m₂ 里,所以"看起来变轻了"。这不是定律失效,而是称量时漏掉了跑掉的气体。
- 文字表达式:碳酸钠 + 盐酸
氯化钠 + 水 + 二氧化碳 - 化学方程式:
(四)实验4:镁条燃烧(敞口体系,实验 5-2)
- 装置与操作:把用砂纸打磨干净的长镁条和一个陶土网一起放在天平上称量并记录 m₁;在陶土网上方将镁条点燃,观察现象;把燃烧后所得固体与陶土网一起放在天平上称量得 m₂,比较反应前后的称量结果。(教材建议本实验由教师演示)
- 现象:镁条剧烈燃烧,发出耀眼的白光,产生大量白烟,生成白色固体(氧化镁);称量结果 m₁ ≠ m₂。
- 原因(两方面同时存在):① 有空气中的氧气参加了反应,这部分质量并没有算进 m₁,使称量结果偏大;② 生成的部分氧化镁以白烟形式逸散到空气中,没有被称进 m₂,使称量结果偏小。两种因素叠加,所以敞口称量前后"看起来不相等"。
- 文字表达式:镁 + 氧气
氧化镁 - 化学方程式:
(五)四个实验对比表
| 实验 | 反应物 → 生成物 | 关键现象 | m₁ 与 m₂ | 是否密闭 | 不等的原因 |
|---|---|---|---|---|---|
| ① 方案一 | 铜 + 氧气 → 氧化铜 | 红色变黑色,气球先胀后瘪 | m₁ = m₂ | ✅ 密闭(橡胶塞 + 气球) | — |
| ② 方案二 | 铁 + 硫酸铜 → 铜 + 硫酸亚铁 | 铁丝表面覆红色物质,溶液蓝→浅绿 | m₁ = m₂ | ✅ 密闭(塞好橡胶塞) | — |
| ③ 实验 5-1 | 碳酸钠 + 盐酸 → 氯化钠 + 水 + 二氧化碳 | 产生大量气泡 | m₁ ≠ m₂(m₁ > m₂) | ❌ 敞口烧杯 | 生成的 CO₂ 逸散 |
| ④ 实验 5-2 | 镁 + 氧气 → 氧化镁 | 耀眼白光、大量白烟、白色固体 | m₁ ≠ m₂ | ❌ 敞口(陶土网上) | 有 O₂ 参加反应,且白烟(MgO)逸散 |
(六)核心结论与辨析 💡
有气体参与或生成的反应,要验证质量守恒,必须在密闭环境中进行。
- 辨析:实验③、④"质量不等",并不违反质量守恒定律——只是我们没把跑掉的气体(或没把参与反应的空气)算进称量的质量里。把气体也"关"进体系一起称,天平依然平衡。
- 易错提醒:不要写"质量守恒定律有时不成立"。正确说法是"在开放体系中,若有气体进出,表面质量会变化,但体系总质量仍守恒"。
三、质量守恒定律的微观本质
(一)为什么一定守恒?——原子的重新组合
教材给出的解释是:化学反应的过程,就是参加反应的各物质(反应物)的原子重新组合生成新物质(生成物)的过程。也就是说,反应物的分子先拆成原子,原子再重新组合成新的分子(或新物质)。在这个过程中:
- 原子既没有被创生,也没有被消灭;
- 原子的种类、数目、质量一丝一毫都没变。
既然"零件"(原子)的数量和轻重都没变,拼出来的"总重"自然不变——这就是质量守恒的微观根源。教材以氢气在氧气中燃烧生成水为例(图 5-5):反应前是氢分子和氧分子,反应后是水分子,分子种类变了,但 H 原子、O 原子的种类、数目和质量都没有改变,所以质量必然守恒。
(二)"六不变、两改变、一可能改变"
这是必背表格,建议抄在笔记本首页:
| 维度 | 项目 | 反应前后 |
|---|---|---|
| 宏观 | 物质的总质量 | ✅ 不变 |
| 宏观 | 元素种类 | ✅ 不变 |
| 宏观 | 元素质量 | ✅ 不变 |
| 微观 | 原子种类 | ✅ 不变 |
| 微观 | 原子数目 | ✅ 不变 |
| 微观 | 原子质量 | ✅ 不变 |
| 宏观 | 物质种类 | ❌ 一定改变 |
| 微观 | 分子种类 | ❌ 一定改变 |
| 微观 | 分子数目 | ⚠️ 可能改变(也可能不变) |
记忆口诀 🔑:
六不变:总质元素三样,原子种数质量三;
两改变:物质种类、分子种;
一可能:分子数目或变或不变。
(三)易错提醒与辨析 ⚠️
- "分子数目可能改变" 最容易被误判为"一定不变"或"一定改变"。举例:
:反应前 3 个分子,反应后 2 个分子 → 数目变了。 :反应前 2 个分子,反应后 2 个分子 → 数目没变。
所以只能说"可能改变"。
- 元素种类不变 ≠ 物质种类不变:水电解成氢气和氧气,元素还是 H、O 两种,但物质从"水"变成了"氢气+氧气",物质种类变了。
- 辨析:质量守恒管的是"总质量",不管"某一种物质的质量"。例如蜡烛燃烧质量减轻,是因为生成的 CO₂ 和 H₂O 跑掉了,体系总质量仍守恒。
(四)小拓展:质量守恒能用来"算"
已知反应物和生成物的一部分质量,可用守恒求未知量。例如:
课题2 化学方程式
一、什么是化学方程式
(一)定义
用化学式来表示化学反应的式子,叫作化学方程式。 它是化学的"通用语言",全世界化学家一看就懂。
教材还特别点明它的两层价值:
- 化学方程式中的反应物、生成物和反应条件,体现了化学反应中的物质转化关系(定性);
- 化学方程式中各物质的相对分子质量(或相对原子质量)等信息,体现了化学反应的定量关系,如质量守恒和比例关系(定量)。
(二)它和文字表达式的区别
| 对比项 | 文字表达式 | 化学方程式 |
|---|---|---|
| 写法 | 用汉字名称 | 用化学式 + 化学计量数 + 条件 + ↑↓ |
| 能否看出质量关系 | ❌ 不能 | ✅ 能(可算质量比) |
| 能否看出粒子个数比 | ❌ 不能 | ✅ 能(看化学计量数) |
| 国际通用性 | ❌ 受语言限制 | ✅ 全球通用 |
举例对照(教材以木炭在氧气中燃烧为例):
- 文字表达式:碳 + 氧气
二氧化碳 - 化学方程式:
二、书写化学方程式的原则与步骤
(一)两条原则
写方程式不是"想怎么写就怎么写",必须守住两条底线:
- 必须以客观事实为基础:不能凭空编造不存在的物质或反应。例如铁在氧气中燃烧生成的是
,不能写成 。 - 必须遵守质量守恒定律(配平):等号两边每一种元素的原子总数必须相等,靠在化学式前面加化学计量数来实现(绝不能在化学式中间改下标!)。
(二)书写步骤(教材以磷在空气中燃烧为例)
- 描述反应事实:在式子左、右两边分别写出反应物和生成物的化学式;不止一种时用加号连接;在反应物和生成物之间画一条短线,并在短线上注明反应条件(如加热常用"△"表示、点燃、催化剂等)。
- 此时写作:
(中间是短线、上方注明"点燃",尚未配平)
- 此时写作:
- 配平化学方程式:检查式子左、右两边各元素原子的种类和数目,通过选取合适的化学计量数使式子遵守质量守恒定律,再把短线改为等号。
- 配平后:
- 配平后:
三、化学方程式的意义(一看二算)
以碳燃烧为例:
- 文字表达式:碳 + 氧气
二氧化碳 - 化学方程式:
(一)"一看":表示什么
- 反应物:C(碳)、O₂(氧气)
- 生成物:CO₂(二氧化碳)
- 反应条件:点燃
(二)"二算":质量比怎么算
质量比 = 各物质的相对分子(原子)质量 × 化学计量数之比。
- C 的相对原子质量 = 12;O₂ = 32;CO₂ = 44
- 所以质量比 C : O₂ : CO₂ = 12 : 32 : 44(可约成 3 : 8 : 11)
含义:每 12 份质量的碳,恰好和 32 份质量的氧气反应,生成 44 份质量的二氧化碳。这正是"质量守恒"在方程式里的具体体现。
(三)粒子个数比
看化学式前的化学计量数:C、O₂、CO₂ 的化学计量数都是 1,所以粒子个数比 = 1 : 1 : 1,即 1 个碳原子和 1 个氧分子结合成 1 个二氧化碳分子。
四、化学方程式的配平
(一)配平的含义
配平就是给化学式前面添上合适的化学计量数,使等号两边每种元素的原子总数相等(即遵守质量守恒定律)。注意:只能改前面的化学计量数,绝不能改下标——改下标就变成另一种物质了。
(二)最小公倍数法(最常用)
以磷燃烧为例:
- 未配平:
- 步骤:右边 O 有 5 个、左边 O₂ 提供 2 个,2 和 5 的最小公倍数是 10 → 左边 O₂ 前配 5,右边 P₂O₅ 前配 2;
- 再看 P:右边 2×2 = 4 个 P,左边 P 前配 4。
- 配平结果:
(三)观察法(适合同种原子多的)
以铁在氧气中燃烧为例:
- 未配平:
- 右边 Fe 有 3 个、O 有 4 个 → 左边 Fe 前配 3,O₂ 前配 2。
- 配平结果:
配平口诀 🔑:
左反右生中间线,化学式前配系数;
原子个数两边等,改前不改下标处。
五、书写注意事项与符号标注
(一)气体 ↑ 与沉淀 ↓ 的使用规则
| 情况 | 是否标注 | 教材示例 |
|---|---|---|
| 生成物中有气体,且反应物中没有气体 | 标 ↑ | |
| 反应物和生成物中都有气体 | 不标 ↑ | |
| 溶液中的反应,生成物中有固体,且反应物中没有固体 | 标 ↓ | |
| 溶液中的反应,反应物和生成物中都有固体 | 不标 ↓ |
再举一例(反应物中无气体,生成物中有氧气,标 ↑):
- 文字表达式:过氧化氢
水 + 氧气 - 化学方程式:
(二)反应条件的书写
- 加热用符号 △ 表示,写在等号上方:
。 - 点燃、加热、高温是三个完全不同的条件,绝不能混用:
- 点燃:靠外界点火引发(如燃烧),反应一旦开始常可自行进行;
- 加热:用酒精灯等持续供热(△);
- 高温:需要更高温度(如煅烧石灰石、炼铁),≠ 加热。
- 无反应条件时,等号上方留空(六个空格占位):
。
(三)易错提醒 ⚠️
- 把"点燃"写成"加热(△)":这是中考高频失分点!燃烧类(C、S、P、Mg、Fe 等 + O₂)几乎都是点燃,不是加热。
- 漏标或乱标 ↑↓:记住"反应物没有气体,生成物才有气体才标 ↑";溶液里"反应物无固体、生成物才有固体沉淀才标 ↓"。
- 配平后忘记检查:写完务必逐元素数一遍左右原子数。
- 改下标凑数:
绝不能改成 来配平,那是改了物质本身。
六、根据化学方程式进行简单计算
(一)为什么能算
化学反应中各物质之间存在固定的质量比,所以只要知道其中一种物质的质量,就能根据化学方程式推算出其他物质的质量——比如"用一定量原料最多能生产多少产品""制备一定量产品最少需要多少原料",这就是化学方程式的定量应用。
(二)解题五步(教材格式,务必照抄)
- 设未知量(设……的质量为 x,不带单位);
- 写出反应的化学方程式(必须配平、条件和 ↑↓ 齐全);
- 找出比例关系:在相关物质下方写出化学计量数与相对分子质量的乘积,以及已知量、未知量;
- 列出比例式,求解;
- 简明地写出答案。
(三)例题1(教材例题)
在实验室使用高锰酸钾制取氧气时,如果加热分解 7.9 g 高锰酸钾,可以得到氧气的质量是多少?
解:设加热分解 7.9 g 高锰酸钾可以得到氧气的质量为
| 物质 | ||
|---|---|---|
| 计量数 × 相对分子质量 | ||
| 质量 | 7.9 g |
答:加热分解 7.9 g 高锰酸钾,可以得到 0.8 g 氧气。
(四)例题2(教材例题)
工业上煅烧石灰石(主要成分是
)产生生石灰( )和二氧化碳。制取 5.6 t 氧化钙,需要碳酸钙的质量是多少?
解:设需要碳酸钙的质量为
| 物质 | ||
|---|---|---|
| 计量数 × 相对分子质量 | 100 | 56 |
| 质量 | 5.6 t |
答:需要碳酸钙 10 t。
(五)易错提醒 ⚠️
- 方程式没配平就代入:比例关系全错,这一步错则全题错。
- 单位不统一 / 设未知量时带单位:题目给 t 就用 t、给 g 就用 g,
只设数值、在结果处写单位。 - 只用相对分子质量、忘乘化学计量数:如
要用 ,不是 158。 - 忘记"答":教材要求"简明地写出答案",漏写答语要扣分。
- 教材提示:实际生产中很多原料和产品是不纯的,计算时要考虑杂质问题,这将在以后的课程中学习。
结语
化学反应不是"无中生有",而是原子的重新排队——质量守恒,是化学世界最可靠的承诺。而化学方程式,就是把这场"原子重排"记录下来的通用语言:它既告诉你"谁和谁反应、生成了什么、在什么条件下",又暗藏了"质量比"和"粒子个数比"的密码。
本单元请你务必拿下四件事:背熟六不变两改变一可能改变、写好四个实验的文字表达式与化学方程式、练会配平和 ↑↓ 与条件的标注、按五步规范做好根据化学方程式的简单计算。把这四点吃透,第五单元就是你的得分高地!🎉 预习中卡住的地方,课堂上重点听、课后用本学案的口诀自查,你一定能行。