Stoichiometry

化學 C3：化學計量法 (Stoichiometry) – 化學反應的「食譜」語言

歡迎來到「化學計量法」這一章！別被這個拗口的名字嚇到了，其實化學計量法就是化學裡的數學和專屬語言。
你可以把它想像成學習如何閱讀和編寫化學反應的「食譜」。只要你掌握了這份食譜（即化學式和化學方程式），就能精準計算出每種材料（原子或分子）的需求量，以及最終會生成什麼物質。
這一章非常關鍵，因為它教授了編寫化學式和平衡方程式的基本規則——這些技巧將會貫穿你整個 IGCSE 化學的學習過程。

1. 編寫及定義化學式 (Core)

化學式是一種簡潔、便捷的方法，用來精確顯示物質中包含哪些原子，以及有多少原子鍵結在一起。

什麼是分子式？(C3.1 Core 2)

分子式 (Molecular formula) 用來定義一個化合物分子中所含原子的確切數量和種類。

• 例子 1： 水的分子式是 H₂O。這個式子告訴我們，一個水分子包含 2 個氫原子 (H) 和 1 個氧原子 (O)。
• 例子 2： 二氧化碳的分子式是 CO₂。這個分子包含 1 個碳原子 (C) 和 2 個氧原子 (O)。

識別簡單元素與化合物的化學式 (C3.1 Core 1)

大多數元素以單個原子（單原子）存在，但一些常見的非金屬元素以兩個原子組成的分子（雙原子）形式存在。

必須掌握的關鍵化學式：

• 單原子 (Monatomic)： 鈉 (Na)、鐵 (Fe)、氦 (He)、氖 (Ne)。
• 雙原子 (Diatomic)： 氫 (H₂)、氧 (O₂)、氮 (N₂)、氯 (Cl₂)。
• 常見化合物： 水 (H₂O)、氨 (NH₃)、甲烷 (CH₄)、二氧化碳 (CO₂)。

從圖示推導化學式 (C3.1 Core 3)

如果題目提供了一個簡單分子化合物的模型或圖示，你只需要「數原子」就可以了！

想像一下：
你看到 1 個大的黑色球體（碳，C）連接到 4 個小白球（氫，H）。
透過點算得出：1 個碳原子和 4 個氫原子。
化學式即為 CH₄（甲烷）。

2. 推導離子化合物的化學式 (Supplement)

離子化合物的情況略有不同，因為它們是由帶電荷的微粒（稱為離子）構成，而非中性分子。整體而言，離子化合物在電性上是中性的。

理解離子與電荷 (C3.1 Supplement 6)

離子是當原子失去或獲得電子時形成的。

• 陽離子 (Cations) 是帶正電的離子（通常由金屬形成，例如 Na⁺、Ca²⁺）。
• 陰離子 (Anions) 是帶負電的離子（通常由非金屬形成，例如 Cl⁻、O²⁻）。

要組成一個化合物，總正電荷必須與總負電荷完全抵銷，使化合物呈電中性。

逐步推導：離子化學式（交叉法 Criss-Cross Trick）

我們利用離子的電荷來決定化學式。

例子：找出氧化鋁的化學式。

1. 寫出離子與電荷：
   鋁離子帶 +3 電荷：\(Al^{3+}\)
   氧離子帶 -2 電荷：\(O^{2-}\)
2. 交叉數值：
   取電荷的數值（忽略 + 或 - 符號），將其移至*另一種*離子的下標位置。
3. 寫出最終化學式：
   鋁的 3 移到氧的下方；氧的 2 移到鋁的下方。
   化學式為 \(Al_2O_3\)。

你知道嗎？ 「Stoichiometry」一詞源自希臘文，意指「元素」和「測量」。這門學問就是關於測量化合物中各元素之間的關係。

避免常見錯誤： 如果電荷剛好抵銷（例如 \(Na^+\) 和 \(Cl^-\)），則不必寫下標。化學式簡單寫成 NaCl，而不是 \(Na_1Cl_1\)。如果離子是 \(Ca^{2+}\) 和 \(O^{2-}\)，電荷完全抵銷，化學式應為 CaO（而不是 \(Ca_2O_2\)）。

3. 化學方程式

化學方程式是我們用來表示化學反應的方式，顯示了什麼參與反應（反應物）以及生成了什麼（生成物）。

文字方程式 (C3.1 Core 4)

文字方程式是表示反應最簡單的方法，列出所涉及物質的全名。

反應物 \(\rightarrow\) 生成物

例子：
甲烷 + 氧 \(\rightarrow\) 二氧化碳 + 水

符號方程式與狀態符號 (C3.1 Core 5)

符號方程式 (Symbol equation) 使用物質的化學式。這比文字方程式包含更多資訊。

我們還會加入狀態符號來標示每種物質的物理狀態：

• (s)：固體 (solid)
• (l)：液體 (liquid)（如水）
• (g)：氣體 (gas)（如氧氣）
• (aq)：水溶液 (aqueous)（溶解於水中）

例子（未平衡）：
\(CH_{4}(g) + O_{2}(g) \rightarrow CO_{2}(g) + H_{2}O(l)\)

平衡符號方程式 (C3.1 Core 5)

方程式必須遵循質量守恆定律 (Law of Conservation of Mass)：原子在化學反應中既不會被創造，也不會被銷毀。
這意味著反應物一方（左側）和生成物一方（右側）的每種元素原子數必須相等。我們透過在化學式前面加上大數字（係數）來平衡方程式。

逐步平衡法：

讓我們來平衡甲烷的燃燒反應：
\(CH_{4} + O_{2} \rightarrow CO_{2} + H_{2}O\)

1. 點算原子： 寫下兩側每種元素的原子數量。
   左側（反應物）：C=1, H=4, O=2
   右側（生成物）：C=1, H=2, O=3
2. 先平衡複雜原子 (C)： 碳已經平衡（兩側皆為 1）。
3. 平衡氫 (H)： 左側有 4 個 H，但右側只有 2 個 H。我們需要右側有 4 個 H。在 H₂O 前面加上係數 2。
   \(CH_{4} + O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O\)
   （現在右側有 2 x 2 = 4 個 H 原子。）
4. 最後平衡氧 (O)： 現在重新計算右側的氧原子。
   右側 O：2 (在 CO₂ 中) + 2 (在 2H₂O 中) = 共 4 個 O。
   左側 O：只有 2 個 O 原子 (在 O₂ 中)。我們需要 4 個 O。在 O₂ 前面加上係數 2。
   \(CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O\)
5. 最終檢查：
   左側：C=1, H=4, O=4
   右側：C=1, H=4, O=4
   方程式已成功平衡！

編寫離子方程式 (C3.1 Supplement 7)

這是較進階的概念。離子方程式只聚焦於在反應中發生真實變化的離子（和分子）。它們通常用於沉澱反應（形成固體）或中和反應。

在離子方程式中，我們會移除旁觀離子 (spectator ions)——這些離子存在於溶液中，但並不參與反應（它們在方程式兩邊完全沒變）。

例子：硝酸銀水溶液與氯化鈉水溶液反應，生成氯化銀固體。

1. 完整符號方程式（含狀態）：
\(AgNO_{3}(aq) + NaCl(aq) \rightarrow AgCl(s) + NaNO_{3}(aq)\)

2. 寫出所有離子（只拆解 (aq) 的物質）：
\((Ag^{+}(aq) + NO_{3}^{-}(aq)) + (Na^{+}(aq) + Cl^{-}(aq)) \rightarrow AgCl(s) + (Na^{+}(aq) + NO_{3}^{-}(aq))\)

3. 取消旁觀離子： \(Na^{+}\) 和 \(NO_{3}^{-}\) 在兩邊都一樣，將其消去。

4. 最終離子方程式：
\(Ag^{+}(aq) + Cl^{-}(aq) \rightarrow AgCl(s)\)

這個最終方程式顯示，只有銀離子和氯離子真正結合形成了沉澱物。