化学方程式笔记

本文记录了大部分初高中所学的化学方程式，以及详尽的解析。因笔者时间不足，暂未完工。

前置知识

电子排布式

核外电子按能量不同分成不同能层，按能量大小递增表示为 \(\mathrm{K, L, M, N, O, P, Q, \cdots}\)（实际上就是字母表顺序）。能层内部分为不同能级，按容纳的原子轨道个数递增表示为 \(\mathrm{s, p, d, f, \cdots}\)（这个要背一下）。不同能级按顺序分别有 \(1, 3, 5, 7, \cdots\)（正奇数数列）个原子轨道，其中每个原子轨道最多容纳 \(2\) 个电子，所以不同能级分别能容纳 \(2, 6, 10, 14, \cdots\) 个核外电子。

\(\ce{Na}\) 的电子排布式为 \(\ce{1s^2 2s^2 2p^6 3s^1}\)，其实就是把所有能级摆出来。其中“系数”表示当前能级所在的能层的序数，“指数”表示当前能级容纳了几个核外电子。发现 \(\ce{1s^2 2s^2 2p^6}\) 恰好是 \(\ce{Ne}\) 的电子排布式，所以可以简化书写：\(\ce{[Ne] 3s^1}\)，在只关心最外层电子时比较有用。容易发现，框内元素的每一个能层都被填满了。

把电子排布式中的最外层电子提取出来，叫做价电子排布式。相应的，最外层电子又叫做价电子。最外层电子实际上指的是最外面一个能层的电子。

设一个能层能容纳 \(2n\) 个电子，则该能层有 \(0, n, 2n\) 个电子时最稳定。电子总是去能量最低的能层。

晶格能

两个离子通过库仑力结合到一起时释放的能量，叫做晶格能。由库仑定律，两个离子核之间距离越近，晶格能越大；两个离子的电荷量越大，晶格能越大。

\(\ce{ 2Mg + O2 ->[点燃] 2MgO }\)

梦的起点。

\(\ce{Mg}\) 的最外层有 \(2\) 个电子，很不稳定。它遇到最外层有 \(6\) 个电子的 \(\ce{O}\)，就容易与它结合，形成最外层满电子的稳定结构。所以在 \(\ce{MgO}\) 中，\(\ce{Mg}\) 是 \(+2\) 价，\(\ce{O}\) 是 \(-2\) 价。

因为 \(\ce{Mg}\) 的不稳定性，所以这个反应实际上不需要点燃，可以自发进行。所以一般情况下，\(\ce{Mg}\) 的表面都会有一层氧化膜。做这个实验前，要把氧化膜刮掉。

为何反应会放出大量能量？因为 \(\ce{Mg^2+}\) 和 \(\ce{O^2-}\) 结合时的晶格能巨大，比 \(\ce{Mg}\) 失去两个电子和拆开 \(\ce{O=O}\) 双键的能量总和都要大。

为何它们两个结合时的晶格能巨大？因为两个离子核之间的间距较小，且两者的电荷量较大。注意：\(\pm 2\) 的电荷量的库仑力已经是 \(\pm 1\) 的 \(4\) 倍。

\(\ce{ 3Fe + 2O2 ->[点燃] Fe3O4 }\)

注意：\(\ce{Fe3O4}\) 不是氧化铁，\(\ce{Fe2O3}\) 才是。

发现 \(\ce{Fe}\) 的最外层有 \(2\) 个电子，所以 \(\ce{3Fe}\) 最多给出 \(6\) 个电子。但是 \(\ce{4O2}\) 需要 \(8\) 个电子，剩下 \(2\) 个从哪里来呢？只能从次外层来。\(\ce{Fe}\) 的价电子排布为 \(\ce{3d^6 4s^2}\)，最外层丢光后，次外层丢 \(1\) 个仍然是稳定的，共计丢了 \(3\) 个。两个 \(\ce{Fe}\) 丢 \(3\) 个电子，一个 \(\ce{Fe}\) 丢 \(2\) 个，正好可以丢够 \(8\) 个。

所以在 \(\ce{Fe3O4}\) 中，有一个 \(\ce{Fe}\) 为 \(+2\) 价，另外两个为 \(+3\) 价。平均下来，每一个 \(\ce{Fe}\) 都是 \(+\dfrac{8}{3}\) 价。

发现 \(\ce{Fe}\) 的次外层电子没满，且 \(\ce{O2}\) 是强氧化剂，所以这个反应可以自发进行。那 \(\ce{Fe3O4}\) 是“铁锈”吗？不是。反应时，\(\ce{Fe}\) 的表面会形成氧化膜，阻止反应继续进行。这层氧化膜很薄，是“生锈”的初始阶段。

\(\ce{ 2Cu + O2 ->[\triangle] 2CuO }\)

和 \(\ce{Fe3O4}\) 类似。\(\ce{Cu}\) 从最外层和次外层各丢掉一个电子，补全 \(\ce{O}\) 缺的 \(2\) 个电子。

为什么是加热，不是点燃？没有点燃，说明反应释放出的能量不多，那么消耗的就多。虽然这个反应可以自发进行，但是反应速率极慢，并且会在 \(\ce{Cu}\) 的表面形成氧化膜（老生常谈），阻止反应继续发生。所以，加热有两重作用：

• 加快反应速率。
• 通过加快 \(\ce{O^2-}\) 的扩散速度，以破坏氧化膜的阻隔作用。

因为放热不高，所以燃烧状态难以自持。

\(\ce{ 4Al + 3O2 ->[点燃] 2Al2O3 }\)

\(\ce{Al}\) 的电子排布是 \(\ce{[Ne] 3s^2 3p^1}\)。一个 \(\ce{Al}\) 能给出 \(3\) 个电子，一个 \(\ce{O}\) 需要 \(2\) 个电子，那么 \(\ce{2Al}\) 可以搭配 \(\ce{3O}\)。那么有 \(\ce{ 2Al + O3 -> Al2O3 }\)。

这不对啊。发现 \(\ce{O3}\) 不稳定，会自发分解：\(\ce{ 2O3 -> 3O2 }\)。所以我们从不使用这个“错误”的方程式。但它确实能发生。