化学反应：什么改变了？什么保持不变？
延展部分 – 整个课题属于2025年初中科学课程的延展部分（单元八 原子世界，课题8.5）。
点燃燃气灶、煎蛋、海边生锈的栏杆——化学反应就在你身边！在这一课，你会学到在化学反应中物质不会消失、如何写出平衡化学方程式，以及为什么有些过程会释放能量，有些过程却会吸收能量。一步一步来，你一定做得到！
1. 化学反应中发生了什么？
化学反应是生成新物质的过程（参阅“物理变化和化学变化”一课）。
反应物和生成物
反应开始时的物质称为反应物；反应后形成的新物质称为生成物。
反应物 \(\rightarrow\) 生成物
箭头的意思是“反应生成”。加号（+）用来分隔各种反应物或各种生成物。
原子重新排列，不会被制造或消灭
所有物质都由微小的原子组成。在反应中，反应物里的原子会离开原来的伙伴，再与新的伙伴结合，形成生成物。原子不会凭空出现，也不会消失。
想象一下乐高积木：把乐高汽车拆开，再用同一批积木拼成一座房子。模型看起来完全不同，但积木完全一样——数目相同、种类相同、总质量也相同。
重点：在化学反应中，原子重新排列，把反应物变成生成物。原子既不会失去，也不会被制造出来。
2. 化学反应中的物质守恒
质量守恒定律
由于反应前后的原子都一样，所以总质量也保持不变。这就是质量守恒定律：
反应物的总质量 \(=\) 生成物的总质量
例子：12 g碳在32 g氧中完全燃烧，会生成多少质量的二氧化碳？
二氧化碳的质量 \(= 12\ \text{g} + 32\ \text{g} = 44\ \text{g}\)
在封闭系统中验证
要验证这定律，必须确保没有物质进出。密封起来、没有物质可以进入或离开的装置，称为封闭系统。
简单的测试：
1. 把一支盛有硫酸铜(II)溶液的小试管，放进盛有氢氧化钠溶液的锥形瓶内。
2. 用塞子塞好锥形瓶，然后用电子天平量度整套装置的质量。
3. 倾侧锥形瓶，让两种溶液混和，会生成一种新的蓝色固体（反应不会产生气体，所以塞上塞子是安全的）。
4. 再量度整套装置的质量，读数保持不变。
现在，在电子天平上的开口烧杯中混和醋和小苏打。混合物会冒泡，读数会下降。物质被消灭了吗？不是！气泡是二氧化碳气体，它逸散到空气中去了。如果我们把气体收集起来一并量度，总质量是不会改变的。
为什么燃烧好像会改变质量？
燃烧通常在空气中进行，这不是封闭系统。燃烧中的物质会从空气中取得氧，部分生成物也可能是会逸走的气体，所以读数可能下降，也可能上升。
燃烧纸张：质量好像减少了
纸 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 二氧化碳 \(+\) 水蒸气
这些生成物都是气体，会逸散到空气中，所以剩下的少量灰烬比原来的纸轻得多。“不见了”的质量只是走进了空气中，并不是消失了。
燃烧钢丝：质量增加了
铁 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 氧化铁
铁与空气中的氧结合，生成固体氧化铁，并留在天平上。增加了的质量，就是与铁结合的氧的质量。
你知道吗？在十八世纪，法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）在密封容器中量度物质反应前后的质量。他的结果帮助科学家接受了质量是守恒的。
常见错误：“燃烧会令物质消失。”错！所有原子仍然存在——只是部分原子以气体形式走进了空气中。
重点：在封闭系统中，总质量保持不变。在开放系统中，质量只是看似改变了，因为有气体逸走，或空气中的氧加了进来。
3. 写出平衡化学方程式
化学方程式是表示化学反应的简洁方法。我们可以分三步把它写出来。
第一步：写出文字方程式
把反应物的名称写在左边，生成物的名称写在右边。在这一课，我们学习三个由元素结合生成化合物的反应：
氢 \(+\) 氯 \(\rightarrow\) 氯化氢
氢 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 水
碳 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 二氧化碳
第二步：把名称改成化学式
氢气、氧气和氯气都是由两个原子结合而成的分子组成，所以写成 \(\text{H}_2\)、\(\text{O}_2\) 和 \(\text{Cl}_2\)。碳只需写成 \(\text{C}\)。
生成物都是化合物：氯化氢是 \(\text{HCl}\)，水是 \(\text{H}_2\text{O}\)，二氧化碳是 \(\text{CO}_2\)（参阅“原子和元素”一课）。
第三步：数算原子数目并平衡方程式
当方程式两边每一种原子的数目都相同时，方程式就是平衡的——正如质量守恒定律所说。
黄金法则：你只可以改变化学式前面的大数字，称为系数。切勿改变化学式内的小数字，称为下标，因为这样会改变物质本身。
系数会乘以它后面整条化学式内的所有原子。例如 \(2\text{H}_2\text{O}\) 代表2个水分子，含有 \(2 \times 2 = 4\) 个氢原子和 \(2 \times 1 = 2\) 个氧原子。
记忆小贴士——“数、改、查”：数一数两边每种原子的数目；改变系数来修正不相等的地方；最后再查核每一种原子。
例子1：碳 + 氧
\(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
左边：C = 1，O = 2
右边：C = 1，O = 2
数目已经相同，所以这条方程式本身已经平衡。（系数1是不用写出来的。）
例子2：氢 + 氯
未平衡：\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{HCl}\)
左边：H = 2，Cl = 2
右边：H = 1，Cl = 1（未平衡）
右边需要2个H和2个Cl，所以在HCl前面加上系数2：
\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}\)
检查：两边的H都是2，两边的Cl都是2。平衡了！
例子3：氢 + 氧
未平衡：\(\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}\)
左边：H = 2，O = 2
右边：H = 2，O = 1（氧未平衡）
修正氧：在 \(\text{H}_2\text{O}\) 前面加上系数2。现在右边有H = 4和O = 2。氧平衡了，但氢还未平衡（左边2个，右边4个）。
修正氢：在 \(\text{H}_2\) 前面加上系数2：
\(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\)
检查：两边的H都是4，两边的O都是2。平衡了！
留意：3个分子反应后生成2个分子。分子的数目可以改变，但每一种原子的数目不会改变。
常见错误：把 \(\text{H}_2\text{O}\) 改成 \(\text{H}_2\text{O}_2\) 来“平衡”氧。\(\text{H}_2\text{O}_2\) 是过氧化氢，是一种用作漂白剂的不同物质——不是水！只可以改变系数。
重点：先写文字方程式，再改成化学式，然后只改变系数来平衡，直至两边每种原子的数目都相同。
4. 能量变化：释放能量和吸收能量
很多过程都涉及能量变化，通常以热的形式被察觉。这些过程可分为两类：
释放能量的过程把能量放出到周围环境，所以周围会变暖。科学家也称之为放热过程。
吸收能量的过程从周围环境吸收能量，所以周围会变凉。科学家也称之为吸热过程。
记忆小贴士：放热——热量放出去；吸热——热量吸进来。
释放能量的过程
1. 燃烧——燃料与氧反应，释放热和光。燃气灶、蜡烛的火焰和郊野公园烧烤场的炭火都会释放能量。第3部分的三个反应同样会释放能量。
2. 铁生锈——铁与氧和水反应生成铁锈，例如海边旧栏杆上的铁锈。铁生锈会释放热，但过程非常缓慢，所以我们通常感觉不到。
3. 中和作用——酸与碱反应时，会生成盐和水，混合物会变暖——温度计可以显示温度上升（参阅“中和作用”一课）。
你知道吗？一次性暖宝宝里含有铁粉。打开包装后，空气进入，铁粉迅速生锈，释放的热足以在寒冷的冬天为你暖手！
吸收能量的过程
1. 蒸发作用——液体必须吸收热能才能变成气体。汗水从皮肤蒸发时，会从身体带走热，所以你会感到凉快——这就是为什么在大风的日子从泳池上岸时会觉得冷。
2. 食盐的溶解——食盐（氯化钠）溶于水时会吸收少量能量，所以水会变得稍微凉一点。温度的下降很小，所以要小心读取温度计的读数。
注意：蒸发作用和溶解都是物理变化——没有生成新物质（水蒸气仍然是水，把水蒸发掉就可以取回盐）。所以能量变化不只在化学反应中出现，在物理过程中也会出现。有些化学反应也会吸收能量，例如光合作用会吸收光能。
怎样分辨？用温度计
量度过程前后混合物的温度：
温度上升 \(\rightarrow\) 能量被释放
温度下降 \(\rightarrow\) 能量被吸收
常见错误：以为吸收能量的过程会感觉热，因为它“吸收热”。刚刚相反！它从烧杯和你的手带走热，所以摸上去会觉得冷。
重点：燃烧、铁生锈和中和作用会释放能量，周围会变暖。蒸发作用和食盐的溶解会吸收能量，周围会变凉。
重点回顾
1. 在化学反应中，原子重新排列，反应物变成生成物。
2. 质量守恒定律：反应物的总质量 = 生成物的总质量。
3. 在封闭系统中，反应前后的质量保持不变。
4. 在空气中燃烧纸张，质量好像减少了，因为气体逸走了；燃烧钢丝，质量增加了，因为空气中的氧与铁结合了。
5. 写化学方程式的步骤：文字方程式，然后化学式，然后平衡。
6. 只可改变系数来平衡方程式——切勿改变下标。
7. 释放能量：燃烧、铁生锈、中和作用。吸收能量：蒸发作用、食盐的溶解。
做得好！多练习平衡方程式，很快你就会觉得得心应手！