建立 2026-11-13 更新 2026-11-13

Unit 4：化學反應

AP Chemistry Unit 4（Chemical Reactions）教你用平衡的反應式與淨離子方程式描述化學變化，並用化學計量（stoichiometry）計算反應物與產物的量。本單元涵蓋限量試劑、產率、滴定，以及沉澱、酸鹼、氧化還原三大反應類型，約占選擇題 7–9%，也是後面平衡、酸鹼、電化學計算的基礎。

本單元學習重點

CED 主題	內容
4.1 物理與化學變化	判斷有沒有新物質生成
4.2–4.4 反應式	平衡反應式、淨離子方程式、粒子圖
4.5 化學計量	莫耳比、限量試劑、產率
4.6 滴定	當量點、濃度計算
4.7–4.9 反應類型	沉澱、酸鹼（Brønsted–Lowry）、氧化還原

物理變化與化學變化怎麼分？

物理變化：物質種類不變，只有狀態或形態改變，例如冰融化、糖溶於水。被克服的是分子間作用力。
化學變化：舊的化學鍵斷裂、新的化學鍵生成，產生新物質，例如燃燒、沉澱。

溶解離子化合物（例如 \(\ce{NaCl}\) 溶於水）同時涉及離子鍵被打斷，AP 題目通常會說明它是被視為物理還是化學變化，作答時以題目敘述為準。

淨離子方程式怎麼寫？

淨離子方程式（net ionic equation）只保留真正參與反應的粒子，把旁觀離子（spectator ions）刪去。步驟：

寫出平衡的分子方程式並標示狀態（s、l、g、aq）。
把可溶的強電解質（可溶鹽、強酸、強鹼）拆成離子。
沉澱、氣體、水、弱酸、弱鹼維持分子形式。
刪去兩邊相同的旁觀離子。

例：硝酸銀與氯化鈉反應

\[ \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)} \]

\(\ce{Na+}\) 與 \(\ce{NO3-}\) 在反應前後都留在溶液中，是旁觀離子。

一定要記的溶解度規則

含 \(\ce{Na+}\)、\(\ce{K+}\)、\(\ce{NH4+}\) 的鹽，以及所有硝酸鹽（\(\ce{NO3-}\)）都可溶。AP 考試不會提供溶解度表，其他沉澱題會直接告訴你產物是否沉澱。

化學計量與限量試劑

化學計量的核心是莫耳比：反應式的係數代表反應物與產物的莫耳比例，而不是質量比例。

\[ \text{克（已知）} \xrightarrow{\div M} \text{mol（已知）} \xrightarrow{\text{係數比}} \text{mol（所求）} \xrightarrow{\times M} \text{克（所求）} \]

限量試劑（limiting reactant）是最先用完的反應物，它決定產物的最大量（理論產量）。判斷方法：把每個反應物換算成「可以產生多少產物」，產量最少的就是限量試劑。

\[ \text{產率（percent yield）} = \frac{\text{實際產量}}{\text{理論產量}} \times 100\% \]

滴定如何求未知濃度？

滴定（titration）是把已知濃度的溶液（滴定液）慢慢加入未知溶液，直到恰好完全反應（當量點，equivalence point）。在當量點：

\[ \text{mol 滴定液} \times \text{莫耳比} = \text{mol 待測物} \]

指示劑變色的那一點稱為終點（end point），好的指示劑應讓終點盡量接近當量點。滴定曲線的形狀與指示劑選擇在 Unit 8 有更詳細的說明。

三大反應類型

沉澱反應

兩種可溶鹽混合時，若某一組陰陽離子形成難溶的固體，就會產生沉澱。重量分析（gravimetric analysis）就是秤出沉澱的質量，反推原樣品中某離子的含量。

酸鹼反應

依 Brønsted–Lowry 定義，酸是質子（\(\ce{H+}\)）的提供者，鹼是質子的接受者。酸給出質子後變成共軛鹼，鹼接受質子後變成共軛酸：

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-} \]

\(\ce{NH3}\)（鹼）與 \(\ce{NH4+}\)（共軛酸）是一對共軛酸鹼；\(\ce{H2O}\) 在這裡當酸。

氧化還原反應

氧化還原反應（redox）涉及電子轉移。記法「OIL RIG」：Oxidation Is Loss（氧化是失去電子），Reduction Is Gain（還原是得到電子）。

氧化數規則（依優先順序）：

元素態的原子氧化數為 0。
單原子離子的氧化數等於電荷。
F 永遠是 −1；O 通常是 −2（過氧化物為 −1）；H 與非金屬結合時是 +1。
所有原子氧化數總和 = 分子或離子的總電荷。

酸性溶液中平衡氧化還原反應用半反應法：先平衡主要原子，再用 \(\ce{H2O}\) 平衡 O、用 \(\ce{H+}\) 平衡 H、用電子平衡電荷，最後讓兩個半反應的電子數相等再相加。

練習題

練習 1：限量試劑與理論產量

28.0 g \(\ce{N2}\) 與 8.00 g \(\ce{H2}\) 反應生成 \(\ce{NH3}\)：\(\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}\)。(a) 哪一個是限量試劑？(b) 理論上可以生成幾克 \(\ce{NH3}\)？(c) 剩下幾克過量試劑？

詳解

\[ n_{\ce{N2}} = \frac{28.0}{28.02} = 0.999\ \text{mol} \qquad n_{\ce{H2}} = \frac{8.00}{2.016} = 3.97\ \text{mol} \]

(a) 0.999 mol \(\ce{N2}\) 需要 \(3 \times 0.999 = 3.00\) mol \(\ce{H2}\)，而現有 3.97 mol，\(\ce{H2}\) 足夠。\(\ce{N2}\) 是限量試劑。

(b) \(0.999\ \text{mol N}_2 \times \dfrac{2\ \text{mol NH}_3}{1\ \text{mol N}_2} \times 17.03\ \text{g/mol} = 34.0\ \text{g NH}_3\)

(c) 剩下 \(3.968 - 2.998 = 0.970\) mol \(\ce{H2}\)，\(0.970 \times 2.016 = 1.96\) g。

練習 2：產率

承練習 1，如果實際得到 28.5 g \(\ce{NH3}\)，產率是多少？

詳解

\[ \frac{28.5}{34.0} \times 100\% = 83.8\% \]

練習 3：淨離子方程式

寫出下列反應的淨離子方程式：(a) \(\ce{Na2CO3(aq)}\) 與 \(\ce{HCl(aq)}\)　(b) \(\ce{BaCl2(aq)}\) 與 \(\ce{Na2SO4(aq)}\)　(c) \(\ce{CH3COOH(aq)}\) 與 \(\ce{NaOH(aq)}\)

詳解

(a) \(\ce{CO3^2-(aq) + 2H+(aq) -> H2O(l) + CO2(g)}\)

(b) \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\)

(c) \(\ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)}\)

(c) 的乙酸是弱酸，在水中大部分以分子形式存在，所以不拆成離子。這是最常見的錯誤。

CC(=O)O 乙酸（弱酸，保留分子形式） CC(=O)[O-] 乙酸根離子

練習 4：酸鹼滴定

25.00 mL 的 HCl 溶液需要 18.40 mL 的 0.1000 M NaOH 才到達當量點。求 HCl 的濃度。

詳解

\(\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}\)，莫耳比 1 : 1。

\[ n_{\ce{NaOH}} = 0.1000 \times 0.01840 = 1.840\times10^{-3}\ \text{mol} \]

\[ [\ce{HCl}] = \frac{1.840\times10^{-3}\ \text{mol}}{0.02500\ \text{L}} = 0.07360\ \text{M} \]

練習 5：重量分析

0.500 g 含氯的樣品溶解後加入過量 \(\ce{AgNO3}\)，得到 1.150 g \(\ce{AgCl}\)（143.32 g/mol）沉澱。求樣品中氯的質量百分比。

詳解

\[ m_{\ce{Cl}} = 1.150\ \text{g AgCl} \times \frac{35.45\ \text{g Cl}}{143.32\ \text{g AgCl}} = 0.2845\ \text{g} \]

\[ \%\ce{Cl} = \frac{0.2845}{0.500} \times 100\% = 56.9\% \]

如果沉澱沒有完全乾燥（殘留水分），沉澱質量偏大，算出的百分比會偏高。

練習 6：平衡氧化還原反應

在酸性溶液中平衡：\(\ce{MnO4- + Fe^2+ -> Mn^2+ + Fe^3+}\)，並指出氧化劑與還原劑。

詳解

還原半反應：\(\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}\)（Mn 由 +7 降為 +2）

氧化半反應：\(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e-}\)，乘以 5 使電子數相等。

\[ \ce{MnO4- + 5Fe^2+ + 8H+ -> Mn^2+ + 5Fe^3+ + 4H2O} \]

檢查電荷：左邊 \(-1 + 10 + 8 = +17\)，右邊 \(+2 + 15 = +17\) ✓

氧化劑是 \(\ce{MnO4-}\)（被還原），還原劑是 \(\ce{Fe^2+}\)（被氧化）。