本關重點
- 反應式要平衡：反應前後每種原子的數目相同（質量守恆的原子觀點）。會用觀察法與代數法，係數取最簡整數。
- 莫耳（mole）是「一打」的化學版：1 mol＝6.02×10²³ 個粒子；質量（g）÷ 莫耳質量（g/mol）＝莫耳數。
- 計量三步驟：質量→莫耳→用係數比換算→再換回質量。
- 放熱反應 ΔH 為負、吸熱反應 ΔH 為正；能量變化圖上，放熱是生成物比反應物低。
- 熱化學反應式要標物質狀態；係數加倍，ΔH 加倍；反應倒過來寫，ΔH 變號。
- 必修只考一個速率因素：接觸面積越大，反應越快。
核心觀念
一、平衡反應式
觀察法：從最複雜的分子下手，先平衡只出現一次的元素，最後處理單質（如 O₂）。
代數法：給每個係數一個未知數，每種元素列一條「左邊原子數＝右邊原子數」的方程式。以丙烷（液化石油氣主成分）燃燒為例：
a C₃H₈ ＋ b O₂ → c CO₂ ＋ d H₂O
- C：3a＝c H：8a＝2d O：2b＝2c＋d
- 令 a＝1 → c＝3、d＝4、2b＝6＋4 → b＝5
- 平衡式：C₃H₈ ＋ 5O₂ → 3CO₂ ＋ 4H₂O
係數只能改前面的數字，不能改下標（把 H₂O 改成 H₂O₂ 就變成另一種物質了）。
二、原子量、分子量與莫耳
| 名詞 | 意義 | 例子 |
|---|---|---|
| 原子量 | 以碳-12＝12 為基準的相對質量 | H＝1.0、C＝12.0、O＝16.0、Fe＝55.8（常取 56） |
| 分子量 | 分子中各原子量相加 | H₂O＝18、CO₂＝44、O₂＝32 |
| 莫耳質量 | 1 mol 物質的質量，數值等於分子量，單位 g/mol | 1 mol 水＝18 g |
| 亞佛加厥數 | 1 mol 含的粒子數 | 6.02×10²³ |
範例：180 g 水 → 180 ÷ 18 ＝ 10 mol → 10 × 6.02×10²³ ＝ 6.02×10²⁴ 個水分子（原子數則再乘 3）。
三、質量計量：係數比是「莫耳比」，不是質量比
以氫氧燃燒為例：2H₂ ＋ O₂ → 2H₂O。係數比 2:1:2 是莫耳比。要燒掉 4.0 g 氫氣：
- 4.0 g ÷ 2.0 g/mol ＝ 2.0 mol H₂
- 需要 O₂ ＝ 2.0 × 1/2 ＝ 1.0 mol
- 1.0 mol × 32 g/mol ＝ 32 g O₂
驗算：反應物 4.0＋32＝36 g，生成 2.0 mol × 18 g/mol＝36 g 水，質量守恆成立。這個「最後驗算總質量」的習慣，可以抓出大部分係數錯誤。
四、反應熱與能量變化圖
化學反應會斷鍵、成鍵，伴隨能量變化。
| 放熱反應 | 吸熱反應 | |
|---|---|---|
| 周圍溫度 | 上升 | 下降 |
| ΔH | 負值 | 正值 |
| 能量圖 | 生成物低於反應物 | 生成物高於反應物 |
| 例子 | 燃燒、暖暖包鐵粉氧化、中和 | 電解水、光合作用、硝酸銨溶於水（冷敷袋） |
熱化學反應式：把 ΔH 寫在反應式旁，並標狀態。例如（依 NIST 資料，液態水每生成 1 mol 放熱約 285.8 kJ）：
2H₂(g) ＋ O₂(g) → 2H₂O(l) ΔH ≈ −571.7 kJ
- 係數減半：H₂(g) ＋ ½O₂(g) → H₂O(l) ΔH ≈ −285.8 kJ
- 反應倒寫：2H₂O(l) → 2H₂(g) ＋ O₂(g) ΔH ≈ ＋571.7 kJ（能量守恆）
- 狀態不同 ΔH 也不同：生成水蒸氣時放熱較少，因為水蒸氣凝結成液態水本身還會放熱。
放熱不代表「自己會發生」。氫氣和氧氣混合放在室溫下不會自行燃燒，要點火引發；是否需要引發和放熱吸熱是兩回事。
五、接觸面積與反應速率
同樣質量的物質，切得越細，暴露在外、能和其他反應物碰到的表面積越大，反應越快。暖暖包用細鐵粉而不用鐵塊；麵粉、木屑粉塵飄散在空氣中可能引發粉塵爆炸。但要注意：接觸面積影響「多快」，不影響「完全反應後總共放多少熱」——後者由物質的量決定。
素養怎麼考
- 生活產品計量：給暖暖包、火箭燃料、燃氣的成分與反應式，算需要多少反應物、放多少熱。
- 能量圖判讀：從溫度變化判斷放熱吸熱，挑出正確的能量示意圖或 ΔH 正負號。
- 實驗設計：設計「接觸面積影響速率」的實驗——操縱變因只能是顆粒大小，質量、溫度、其他成分都要固定。
- 結論評估：分辨「反應比較快」與「放的熱比較多」，抓出全有全無式的過度推論。
真題考法對照（用本站的話描述，非原題）
- 115 學年度學測第 22 題：同一種反應物生成兩種產物，題幹給兩條熱化學式與產物質量，要分別換算莫耳數再把熱量相加。
- 114 學年度學測第 55～57 題：給幾種烷類的燃燒熱表，比較「每公克」放熱、由規律外推、比較兩種燃氣產生的 CO₂。本關第 9 題即仿此型：每莫耳多不等於每公克多。
- 114 學年度學測第 36 題：兩個反應同時進行，用產生的氣體總量反推另一產物的莫耳數，考係數比的整合。
- 113 學年度學測第 14 題：題幹直接給「1 莫耳氣體的體積」再算氫氣體積。氣體體積計量不在必修，真題會在題幹給換算值。
解題技巧
- 平衡反應式卡住就用代數法，令最複雜的分子係數為 1，最後再乘成整數。
- 計量題固定走「g → mol → 係數比 → mol → g」，每一步寫單位。
- 算完立刻驗算：反應物總質量應等於生成物總質量。
- 反應熱題：先看熱化學反應式的係數對應幾莫耳，再按比例縮放 ΔH。
- 速率實驗題：先找「只差一個變因」的兩組，再看有沒有對照組。
常見陷阱
- 把係數比當質量比：2H₂＋O₂ 不是「2 g 氫配 1 g 氧」。
- 用原子量代替分子量：O₂ 的莫耳質量是 32，不是 16。
- 質量守恆用錯對象：生成的氧化鐵質量要把結合的氧也算進去。
- 以為「溫度升高＝生成物含有比較多熱」：溫度升高是系統把能量釋放到周圍，生成物能量反而較低。
- 以為反應越快，總放熱就越多：快慢與總量是兩件事。
BOSS 戰
BOSS 戰：莫耳計量魔像
化學反應、計量與反應熱 擋住了去路！共 9 題。
計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。
延伸閱讀與資料來源
- NIST Chemistry WebBook：水的熱化學資料（液態水生成 −285.83 kJ/mol）（美國國家標準與技術研究院標準參考資料，數值屬事實）
- NIST Chemistry WebBook：赤鐵礦 Fe₂O₃ 熱化學資料（−825.50 kJ/mol）（同上）
- Wikipedia：Hand warmer（CC BY-SA 4.0，本站摘要改寫）
- Wikipedia：RS-25（太空梭主引擎，液氫液氧）（CC BY-SA 4.0，本站摘要改寫）
- 教育部 十二年國教課綱 自然科學領域（課綱文件，公開閱覽）