为什么化学方程式总是那么巧,就配的平?

2022-08-24
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最简单的解释是元素守恒,反应物中的元素必然会在生成物中出现,并且数量相同。

不过这种解释应该不会让题主满意,题主真正想问的应该是:任意选取一些元素,按照任意比例组合成一些化合物,从中任意选择反应物和生成物,保证反应物和生成物都包含所有的元素,证明由此构建的化学方程式一定能配平。

先说一下结论:一定能配平。

其实按照上面的操作构建的大部分化学方程式不仅能配平,而且配平的结果有无穷多种!只有少数特殊的化学方程式配平的结果只有一种(初中高中的化学方程式几乎都是这种方程式)。

这个问题需要用数学方法分析,期间会介绍一种可以配平一切化学方程式的通用方法,如果有读者觉得配平化学方程式有困难,值得了解一下这种方法。

配平化学方程式的通法用一个具体的化学方程式讲述这种方法,比如火药爆炸的化学方程式:由于这里只关注配平化学方程式,一些额外的符号就不写了。

这种方法其实就是用“元素守恒”列方程组,把配平后的方程式中的每一种物质前面的系数都设成未知量,再把每种元素在反应前后的数量用未知量表示出来。

对于这个化学方程式,可以列出5个方程,有6个未知量。

由于每个方程都是用不同的元素列出来的,所以每个方程都是独立的。

未知量的个数比独立方程的个数还要多,这说明方程组有无穷多解。

这里的未知量的个数比独立方程的个数多1个,说明可以求出任意两个未知量的关系,也就是任意两个未知量的比例,由此就可以配平化学方程式。

方程组有无穷多解对应的是:可以把化学方程式中的每种物质前面的系数乘以任意正整数。

通常说的配平都是把系数写成最简的形式,下面提到的“配平的结果”也都是指系数最简的形式。

元素与化合物的数量前面的“未知量的个数比独立方程的个数多1个”的情况是一种特殊情况,每一种反应物和生成物都按照唯一确定的比例参加反应。

现在来考虑一下普遍情况,未知量的个数(记作n)与独立方程的个数(记作m)可以形成3种关系:nm+1第一种关系:方程组有唯一确定的解,化学方程式配平的结果唯一。

第二种关系:就是上面的例子,方程组有无穷多解,但是各个未知量之间的比例都是唯一确定的,所以化学方程式配平的结果唯一。

第三种关系:方程组有无穷多解,并且各个未知量之间的比例也有无穷多种可能,所以化学方程式配平的结果有无穷多种。

n和m在化学方程式中有非常直观的意义:元素的种类的个数,就是独立方程的个数m。

化合物的种类的个数,就是未知量的个数n(这里把参与反应的单质也算到化合物里面)。

在初中、高中化学里出现的所有化学方程式几乎都满足“n<>

这对于考试出题来说是一件好事,所有配平化学方程式的题都有唯一的答案。

以任意比例反应具体看一下“n>m+1”的例子,把铜分别和浓硝酸、稀硝酸反应的化学方程式加起来,就可以得到简单的例子:此时n=6,m=4,n>m+1,有无穷多种配平的结果:由于笔者对于高中化学之后的分析化学之类的学科没有了解,所以不知道实际发生的化学反应是否会出现“以任意比例反应”的现象,如果有懂行的读者,欢迎留言。

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小草

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