化學反應：甚麼改變了？甚麼保持不變？
延展部分 – 整個課題屬於2025年初中科學課程的延展部分（單元八 原子世界，課題8.5）。
點燃煤氣爐、煎蛋、海邊生銹的欄杆——化學反應就在你身邊！在這一課，你會學到在化學反應中物質不會消失、如何寫出平衡化學方程式，以及為甚麼有些過程會釋放能量，有些過程卻會吸收能量。一步一步來，你一定做得到！
1. 化學反應中發生了甚麼？
化學反應是生成新物質的過程（參閱「物理變化和化學變化」一課）。
反應物和生成物
反應開始時的物質稱為反應物；反應後形成的新物質稱為生成物。
反應物 \(\rightarrow\) 生成物
箭號的意思是「反應生成」。加號（+）用來分隔各種反應物或各種生成物。
原子重新排列，不會被製造或消滅
所有物質都由微小的原子組成。在反應中，反應物裏的原子會離開原來的伙伴，再與新的伙伴結合，形成生成物。原子不會憑空出現，也不會消失。
想像一下LEGO積木：把LEGO汽車拆開，再用同一批積木砌成一間屋。模型看起來完全不同，但積木完全一樣——數目相同、種類相同、總質量也相同。
重點：在化學反應中，原子重新排列，把反應物變成生成物。原子既不會失去，也不會被製造出來。
2. 化學反應中的物質守恆
質量守恆定律
由於反應前後的原子都一樣，所以總質量也保持不變。這就是質量守恆定律：
反應物的總質量 \(=\) 生成物的總質量
例子：12 g碳在32 g氧中完全燃燒，會生成多少質量的二氧化碳？
二氧化碳的質量 \(= 12\ \text{g} + 32\ \text{g} = 44\ \text{g}\)
在封閉系統中驗證
要驗證這定律，必須確保沒有物質進出。密封起來、沒有物質可以進入或離開的裝置，稱為封閉系統。
簡單的測試：
1. 把一支盛有硫酸銅(II)溶液的小試管，放進盛有氫氧化鈉溶液的錐形瓶內。
2. 用塞子塞好錐形瓶，然後用電子天平量度整套裝置的質量。
3. 傾側錐形瓶，讓兩種溶液混和，會生成一種新的藍色固體（反應不會產生氣體，所以塞上塞子是安全的）。
4. 再量度整套裝置的質量，讀數保持不變。
現在，在電子天平上的開口燒杯中混和醋和梳打粉。混合物會冒泡，讀數會下降。物質被消滅了嗎？不是！氣泡是二氧化碳氣體，它逸散到空氣中去了。如果我們把氣體收集起來一併量度，總質量是不會改變的。
為甚麼燃燒好像會改變質量？
燃燒通常在空氣中進行，這不是封閉系統。燃燒中的物質會從空氣中取得氧，部分生成物也可能是會逸走的氣體，所以讀數可能下降，也可能上升。
燃燒紙張：質量好像減少了
紙 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 二氧化碳 \(+\) 水蒸氣
這些生成物都是氣體，會逸散到空氣中，所以剩下的少量灰燼比原來的紙輕得多。「不見了」的質量只是走進了空氣中，並不是消失了。
燃燒鋼絲：質量增加了
鐵 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 氧化鐵
鐵與空氣中的氧結合，生成固體氧化鐵，並留在天平上。增加了的質量，就是與鐵結合的氧的質量。
你知道嗎？在十八世紀，法國化學家拉瓦錫（Antoine Lavoisier）在密封容器中量度物質反應前後的質量。他的結果幫助科學家接受了質量是守恆的。
常見錯誤：「燃燒會令物質消失。」錯！所有原子仍然存在——只是部分原子以氣體形式走進了空氣中。
重點：在封閉系統中，總質量保持不變。在開放系統中，質量只是看似改變了，因為有氣體逸走，或空氣中的氧加了進來。
3. 寫出平衡化學方程式
化學方程式是表示化學反應的簡潔方法。我們可以分三步把它寫出來。
第一步：寫出文字方程式
把反應物的名稱寫在左邊，生成物的名稱寫在右邊。在這一課，我們學習三個由元素結合生成化合物的反應：
氫 \(+\) 氯 \(\rightarrow\) 氯化氫
氫 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 水
碳 \(+\) 氧 \(\rightarrow\) 二氧化碳
第二步：把名稱改成化學式
氫氣、氧氣和氯氣都是由兩個原子結合而成的分子組成，所以寫成 \(\text{H}_2\)、\(\text{O}_2\) 和 \(\text{Cl}_2\)。碳只需寫成 \(\text{C}\)。
生成物都是化合物：氯化氫是 \(\text{HCl}\)，水是 \(\text{H}_2\text{O}\)，二氧化碳是 \(\text{CO}_2\)（參閱「原子和元素」一課）。
第三步：數算原子數目並平衡方程式
當方程式兩邊每一種原子的數目都相同時，方程式就是平衡的——正如質量守恆定律所說。
黃金法則：你只可以改變化學式前面的大數字，稱為係數。切勿改變化學式內的小數字，稱為下標，因為這樣會改變物質本身。
係數會乘以它後面整條化學式內的所有原子。例如 \(2\text{H}_2\text{O}\) 代表2個水分子，含有 \(2 \times 2 = 4\) 個氫原子和 \(2 \times 1 = 2\) 個氧原子。
記憶小貼士——「數、改、查」：數一數兩邊每種原子的數目；改變係數來修正不相等的地方；最後再查核每一種原子。
例子1：碳 + 氧
\(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
左邊：C = 1，O = 2
右邊：C = 1，O = 2
數目已經相同，所以這條方程式本身已經平衡。（係數1是不用寫出來的。）
例子2：氫 + 氯
未平衡：\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{HCl}\)
左邊：H = 2，Cl = 2
右邊：H = 1，Cl = 1（未平衡）
右邊需要2個H和2個Cl，所以在HCl前面加上係數2：
\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}\)
檢查：兩邊的H都是2，兩邊的Cl都是2。平衡了！
例子3：氫 + 氧
未平衡：\(\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}\)
左邊：H = 2，O = 2
右邊：H = 2，O = 1（氧未平衡）
修正氧：在 \(\text{H}_2\text{O}\) 前面加上係數2。現在右邊有H = 4和O = 2。氧平衡了，但氫還未平衡（左邊2個，右邊4個）。
修正氫：在 \(\text{H}_2\) 前面加上係數2：
\(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\)
檢查：兩邊的H都是4，兩邊的O都是2。平衡了！
留意：3個分子反應後生成2個分子。分子的數目可以改變，但每一種原子的數目不會改變。
常見錯誤：把 \(\text{H}_2\text{O}\) 改成 \(\text{H}_2\text{O}_2\) 來「平衡」氧。\(\text{H}_2\text{O}_2\) 是過氧化氫，是一種用作漂白劑的不同物質——不是水！只可以改變係數。
重點：先寫文字方程式，再改成化學式，然後只改變係數來平衡，直至兩邊每種原子的數目都相同。
4. 能量變化：釋放能量和吸收能量
很多過程都涉及能量變化，通常以熱的形式被察覺。這些過程可分為兩類：
釋放能量的過程把能量放出到周圍環境，所以周圍會變暖。科學家也稱之為放熱過程。
吸收能量的過程從周圍環境吸收能量，所以周圍會變涼。科學家也稱之為吸熱過程。
記憶小貼士：放熱——熱量放出去；吸熱——熱量吸進來。
釋放能量的過程
1. 燃燒——燃料與氧反應，釋放熱和光。煤氣爐、蠟燭的火焰和郊野公園燒烤場的炭火都會釋放能量。第3部分的三個反應同樣會釋放能量。
2. 鐵銹蝕——鐵與氧和水反應生成鐵銹，例如海邊舊欄杆上的鐵銹。鐵銹蝕會釋放熱，但過程非常緩慢，所以我們通常感覺不到。
3. 中和作用——酸與鹼反應時，會生成鹽和水，混合物會變暖——溫度計可以顯示溫度上升（參閱「中和作用」一課）。
你知道嗎？即棄暖包裏含有鐵粉。打開包裝後，空氣進入，鐵粉迅速生銹，釋放的熱足以在寒冷的冬天為你暖手！
吸收能量的過程
1. 蒸發作用——液體必須吸收熱能才能變成氣體。汗水從皮膚蒸發時，會從身體帶走熱，所以你會感到涼快——這就是為甚麼在大風的日子從泳池上來時會覺得冷。
2. 餐桌鹽的溶解——餐桌鹽（氯化鈉）溶於水時會吸收少量能量，所以水會變得稍微涼一點。溫度的下降很小，所以要小心讀取溫度計的讀數。
注意：蒸發作用和溶解都是物理變化——沒有生成新物質（水蒸氣仍然是水，把水蒸發掉就可以取回鹽）。所以能量變化不只在化學反應中出現，在物理過程中也會出現。有些化學反應也會吸收能量，例如光合作用會吸收光能。
怎樣分辨？用溫度計吧
量度過程前後混合物的溫度：
溫度上升 \(\rightarrow\) 能量被釋放
溫度下降 \(\rightarrow\) 能量被吸收
常見錯誤：以為吸收能量的過程會感覺熱，因為它「吸收熱」。剛剛相反！它從燒杯和你的手帶走熱，所以摸上去會覺得冷。
重點：燃燒、鐵銹蝕和中和作用會釋放能量，周圍會變暖。蒸發作用和餐桌鹽的溶解會吸收能量，周圍會變涼。
重點回顧
1. 在化學反應中，原子重新排列，反應物變成生成物。
2. 質量守恆定律：反應物的總質量 = 生成物的總質量。
3. 在封閉系統中，反應前後的質量保持不變。
4. 在空氣中燃燒紙張，質量好像減少了，因為氣體逸走了；燃燒鋼絲，質量增加了，因為空氣中的氧與鐵結合了。
5. 寫化學方程式的步驟：文字方程式，然後化學式，然後平衡。
6. 只可改變係數來平衡方程式——切勿改變下標。
7. 釋放能量：燃燒、鐵銹蝕、中和作用。吸收能量：蒸發作用、餐桌鹽的溶解。
做得好！多練習平衡方程式，很快你就會覺得得心應手！