化學反應式

化學反應式 (Chemical Equation)
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

化學反應式（chemical equation）用來描述在化學反應中參與的物質、計量關係，以及反應發生所需要的環境與條件。

胡適說得好，正所謂「要怎麼收獲就怎麼栽」，化學反應裡收獲的產物（product），反應物（reactant）提供的原子素材可是一點都不可少。在化學反應式中反應物寫在左邊，產物寫在右邊，中間則用箭號（→）連接，箭頭的方向表示反應進行的方向。

所有的化學反應都不會無中生有，必須遵守「質量守恆」、「原子守恆」與「電荷守恆」的原則，將這些原則應用在化學反應的定量計算，便稱作化學計量（chemical stoichiometry）。

以打火機燃燒丁烷的反應作為例子，燃燒除了丁烷以外還需要氧氣，而燃燒之後碳元素的部分會產生二氧化碳，氫元素則氧化生成水，依此寫出尚未平衡的化學反應式：

C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O

首先分析反應式中牽涉的元素，碳與氫都各自有一種產物，分別是二氧化碳及水，因為氧氣會生成兩種產物，因此先擱置氧，而從碳、氫來著手「化學反應式的平衡」（balance chemical equation）。1莫耳的丁烷含4莫耳的碳原子與10莫耳的氫原子，根據原子守恆可提供4莫耳二氧化碳與5莫耳水所需的碳與氫原子，先將此兩者的係數寫下。

C₄H₁₀ + □ O₂ → 4 CO₂ + 5 H₂O

化學反應式只剩下氧氣的係數尚未決定，由已平衡二氧化碳與水的係數可反推氧氣需要 (4×2＋5) ÷ 2 = 6.5莫耳，通分成整數，就是平衡後的化學反應式。

2 C₄H₁₀+ 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O

詳細的化學反應式除了反應物和產物以外，還需要列出反應的條件，包含反應時間、壓力、溫度、溶劑、催化劑、反應熱等等。德國化學家哈伯在二次世界大戰發明了哈伯法製氨，一莫耳的氮氣與三莫耳的氫氣可反應產生兩莫耳的氨，解決禁運氨的問題。但是如果我們只是在常溫常壓下把氮氣和氫氣混合，甚麼事情都不會發生，這是因為哈伯法製氨需要高溫、高壓以及氧化鐵作為催化劑才能達成：

以上述的哈伯法製氨反應式，根據化學計量的觀念，便可以計算需要多少的反應物才能產生預期量的產物，將反應物的量依照平衡方程式的計量設計的反應稱作計量反應（stoichiometric reaction）。不過在實際操作實驗時，我們往往會提高某些反應物的量以驅使反應完全。根據勒沙特列原理，提高反應物量可使反應平衡趨向產物端，而在反應中會用盡的反應物就決定了產物的產量，稱作限量試劑（limiting reagent）。

從反應方程式計算產物最大可能的產量，稱為理論產量（theoretical yield）；將產物的實際產量與理論產量比較，便可得到百分產率（percentage yield）。產物的產量與反應物量，兩者的莫耳數比就是轉換率（conversion），有時候反應不只會有一種產物，產物的相對產率就反映了選擇性（selectivity）。

不論是在工業或是在實驗室，產率、選擇性以及反應條件都是反應效能的判斷依據，我們希望反應可以越快進行、選擇性高、產率高、不需要太多分離手續、不需要難以達到的溫度與壓力。舉例來說，哈伯法仍是目前工業製氨倚重的反應，所需要的高溫與高壓十分耗能，但是其原子經濟（atomic economy）不浪費原料，還是有賺頭。

化學反應式就是化學專業語文，化學式就像語彙，反應式則像句子。我們學習如何描繪反應式，從另外一個角度而言，也就在描述反應發生的質、量變化情形。

參考文獻
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
2. 物質科學化學篇(上冊)，泰宇出版