化学式和化学计量

你已经知道了原子、分子和化学键，现在我们来学习如何用化学式来表示这些物质，以及如何通过化学计量来计算化学反应中物质的数量关系。这就像学习化学的"语言"和"数学"，掌握了它们，你就能准确地描述化学反应和进行化学计算。

化学式

化学式是用元素符号和数字表示物质组成的式子。它是化学的"语言"，让我们能够简洁、准确地描述物质的组成。

1. 分子式（Molecular Formula）

分子式表示一个分子中各种原子的种类和数目。

例子：

$\ce{H2O}$ ：水分子，2 个氢原子，1 个氧原子
$\ce{CO2}$ ：二氧化碳分子，1 个碳原子，2 个氧原子
$\ce{CH4}$ ：甲烷分子，1 个碳原子，4 个氢原子
$\ce{C6H12O6}$ ：葡萄糖分子，6 个碳原子，12 个氢原子，6 个氧原子

读法：

$\ce{H2O}$ ：读作"水"或" $\ce{H2O}$ "
$\ce{CO2}$ ：读作"二氧化碳"
$\ce{CH4}$ ：读作"甲烷"

2. 实验式（Empirical Formula）

实验式（最简式）表示物质中各种元素原子的最简整数比。

例子：

葡萄糖的分子式是 $\ce{C6H12O6}$ ，实验式是 $\ce{CH2O}$
过氧化氢的分子式是 $\ce{H2O2}$ ，实验式是 $\ce{HO}$
乙炔的分子式是 $\ce{C2H2}$ ，实验式是 $\ce{CH}$

关系：实验式 = 分子式 ÷ 最大公约数

3. 结构式（Structural Formula）

结构式用线条表示原子之间的连接关系。

例子：

水： $\ce{H-O-H}$ 或 $\ce{H2O}$
甲烷：
```
    H
    |
  H-C-H
    |
    H
```
乙醇： $\ce{CH3-CH2-OH}$ 或 $\ce{C2H5OH}$

4. 离子式（Ionic Formula）

离子式表示离子化合物的组成。

例子：

氯化钠： $\ce{NaCl}$ （ $\ce{Na+}$ 和 $\ce{Cl-}$ 的比是 1:1）
氯化钙： $\ce{CaCl2}$ （ $\ce{Ca^{2+}}$ 和 $\ce{Cl-}$ 的比是 1:2）
硫酸钠： $\ce{Na2SO4}$ （ $\ce{Na+}$ 和 $\ce{SO4^{2-}}$ 的比是 2:1）

规则：正负离子的电荷总数必须相等，使化合物呈电中性。

相对分子质量

相对分子质量（ $M_r$ ）是分子中所有原子的相对原子质量之和。

计算方法

M_r = \sum (\text{各原子的相对原子质量} \times \text{原子个数})

例子：

水（ $\ce{H2O}$ ）：
- H 的相对原子质量 = 1
- O 的相对原子质量 = 16
- $M_r(\ce{H2O}) = 2 \times 1 + 1 \times 16 = 18$
二氧化碳（ $\ce{CO2}$ ）：
- C 的相对原子质量 = 12
- O 的相对原子质量 = 16
- $M_r(\ce{CO2}) = 1 \times 12 + 2 \times 16 = 44$
葡萄糖（ $\ce{C6H12O6}$ ）：
- $M_r(\ce{C6H12O6}) = 6 \times 12 + 12 \times 1 + 6 \times 16 = 180$

相对分子质量的应用

计算物质的量： $n = \frac{m}{M_r}$ （ $n$ 是物质的量， $m$ 是质量）
计算元素的质量分数： $w = \frac{元素的质量}{化合物的质量} \times 100\%$

化学计量

化学计量（Stoichiometry）是研究化学反应中物质数量关系的学科。它就像化学的"数学"，让我们能够计算反应需要多少原料，能产生多少产物。

化学方程式

化学方程式用化学式表示化学反应。

例子：氢气和氧气反应生成水

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

含义：

反应物： $\ce{H2}$ （氢气）和 $\ce{O2}$ （氧气）
产物： $\ce{H2O}$ （水）
系数：2、1、2 表示反应中各物质的物质的量之比

读法：2 个氢气分子和 1 个氧气分子反应，生成 2 个水分子。

化学方程式的配平

化学方程式必须遵循质量守恒定律：反应前后各元素原子的种类和数目不变。

配平步骤：

写出反应物和产物
列出各元素的原子数
通过调整系数使各元素原子数相等

例子：配平甲烷燃烧反应

\ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O}

配平过程：

左边：C=1, H=4, O=2
右边：C=1, H=2, O=3

先配平 H：

\ce{CH4 + O2 -> CO2 + 2H2O}

再配平 O：

\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}

验证：

左边：C=1, H=4, O=4
右边：C=1, H=4, O=4 ✓

化学计量的计算

1. 质量关系

根据化学方程式，可以计算反应物和产物的质量关系。

例子：计算 2 克氢气完全燃烧需要多少克氧气？

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

2 个 $\ce{H2}$ 分子（相对分子质量 2）对应 1 个 $\ce{O2}$ 分子（相对分子质量 32）
质量比： $\ce{H2} : \ce{O2} = 4 : 32 = 1 : 8$

计算：

2 克 $\ce{H2}$ 需要： $2 \times 8 = 16$ 克 $\ce{O2}$

2. 物质的量关系

根据化学方程式，可以计算反应物和产物的物质的量关系。

例子：计算 1 摩尔氢气完全燃烧需要多少摩尔氧气？

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

2 摩尔 $\ce{H2}$ 对应 1 摩尔 $\ce{O2}$
1 摩尔 $\ce{H2}$ 对应 $\frac{1}{2}$ 摩尔 $\ce{O2}$

计算：

1 摩尔 $\ce{H2}$ 需要： $\frac{1}{2} = 0.5$ 摩尔 $\ce{O2}$

3. 体积关系（气体）

对于气体，在同温同压下，物质的量之比等于体积之比。

例子：计算 10 升氢气完全燃烧需要多少升氧气？

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

2 体积 $\ce{H2}$ 对应 1 体积 $\ce{O2}$
10 体积 $\ce{H2}$ 对应 $\frac{10}{2} = 5$ 体积 $\ce{O2}$

计算：

10 升 $\ce{H2}$ 需要：5 升 $\ce{O2}$

实际应用：计算反应产率

产率是实际产量与理论产量的比值。

\text{产率} = \frac{\text{实际产量}}{\text{理论产量}} \times 100\%

例子：理论上 2 克氢气可以生成 18 克水，实际生成了 16 克水，求产率。

\text{产率} = \frac{16}{18} \times 100\% = 88.9\%