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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：

  • \ceH2O\ce{H2O}：水分子，2 个氢原子，1 个氧原子
  • \ceCO2\ce{CO2}：二氧化碳分子，1 个碳原子，2 个氧原子
  • \ceCH4\ce{CH4}：甲烷分子，1 个碳原子，4 个氢原子
  • \ceC6H12O6\ce{C6H12O6}：葡萄糖分子，6 个碳原子，12 个氢原子，6 个氧原子

读法：

  • \ceH2O\ce{H2O}：读作"水"或"\ceH2O\ce{H2O}"
  • \ceCO2\ce{CO2}：读作"二氧化碳"
  • \ceCH4\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 \ceC6H12O6\ce{C6H12O6}，实验式是 \ceCH2O\ce{CH2O}
  • 过氧化氢的分子式是 \ceH2O2\ce{H2O2}，实验式是 \ceHO\ce{HO}
  • 乙炔的分子式是 \ceC2H2\ce{C2H2}，实验式是 \ceCH\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：\ceH−O−H\ce{H-O-H} 或 \ceH2O\ce{H2O}
  • 甲烷： 
        H
        |
      H-C-H
        |
        H
  • 乙醇：\ceCH3−CH2−OH\ce{CH3-CH2-OH} 或 \ceC2H5OH\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：\ceNaCl\ce{NaCl}（\ceNa+\ce{Na+} 和 \ceCl−\ce{Cl-} 的比是 1:1）
  • 氯化钙：\ceCaCl2\ce{CaCl2}（\ceCa2+\ce{Ca^{2+}} 和 \ceCl−\ce{Cl-} 的比是 1:2）
  • 硫酸钠：\ceNa2SO4\ce{Na2SO4}（\ceNa+\ce{Na+} 和 \ceSO42−\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（MrM_r）是分子中所有原子的相对原子质量之和。

计算方法​

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

例子：

  1. 水（\ceH2O\ce{H2O}）：

    • H 的相对原子质量 = 1
    • O 的相对原子质量 = 16
    • Mr(\ceH2O)=2×1+1×16=18M_r(\ce{H2O}) = 2 \times 1 + 1 \times 16 = 18

  2. 二氧化碳（\ceCO2\ce{CO2}）：

    • C 的相对原子质量 = 12
    • O 的相对原子质量 = 16
    • Mr(\ceCO2)=1×12+2×16=44M_r(\ce{CO2}) = 1 \times 12 + 2 \times 16 = 44

  3. 葡萄糖（\ceC6H12O6\ce{C6H12O6}）：

    • Mr(\ceC6H12O6)=6×12+12×1+6×16=180M_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=mMrn = \frac{m}{M_r}（nn 是物质的量，mm 是质量）
  • 计算元素的质量分数：w=元素的质量化合物的质量×100%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

\ce2H2+O2−>2H2O\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

含义：

  • 反应物：\ceH2\ce{H2}（氢气）和 \ceO2\ce{O2}（氧气）
  • 产物：\ceH2O\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：

  1. 写出反应物和产物
  2. 列出各元素的原子数
  3. 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

\ceCH4+O2−>CO2+H2O\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：

\ceCH4+O2−>CO2+2H2O\ce{CH4 + O2 -> CO2 + 2H2O}

再配平 O：

\ceCH4+2O2−>CO2+2H2O\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？

\ce2H2+O2−>2H2O\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

  • 2 个 \ceH2\ce{H2} 分子（相对分子质量 2）对应 1 个 \ceO2\ce{O2} 分子（相对分子质量 32）
  • 质量比：\ceH2:\ceO2=4:32=1:8\ce{H2} : \ce{O2} = 4 : 32 = 1 : 8

计算：

  • 2 克 \ceH2\ce{H2} 需要：2×8=162 \times 8 = 16 克 \ceO2\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？

\ce2H2+O2−>2H2O\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

  • 2 摩尔 \ceH2\ce{H2} 对应 1 摩尔 \ceO2\ce{O2}
  • 1 摩尔 \ceH2\ce{H2} 对应 12\frac{1}{2} 摩尔 \ceO2\ce{O2}

计算：

  • 1 摩尔 \ceH2\ce{H2} 需要：12=0.5\frac{1}{2} = 0.5 摩尔 \ceO2\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？

\ce2H2+O2−>2H2O\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}

分析：

  • 2 体积 \ceH2\ce{H2} 对应 1 体积 \ceO2\ce{O2}
  • 10 体积 \ceH2\ce{H2} 对应 102=5\frac{10}{2} = 5 体积 \ceO2\ce{O2}

计算：

  • 10 升 \ceH2\ce{H2} 需要：5 升 \ceO2\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。

产率=实际产量理论产量×100%\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。

产率=1618×100%=88.9%\text{产率} = \frac{16}{18} \times 100\% = 88.9\%

化学式和化学计量在 STEM 项目中的应用​

1. 电池容量计算​

在电池项目中，你需要计算电池的理论容量：

例子：锂离子电池

\ceLi++e−+CoO2−>LiCoO2\ce{Li+ + e- + CoO2 -> LiCoO2}

计算：

  • 1 摩尔 \ceLi+\ce{Li+} 对应 1 摩尔电子
  • 1 摩尔电子 = 96485 库仑（法拉第常数）
  • 电池容量 = 锂的质量锂的摩尔质量×96485\frac{\text{锂的质量}}{\text{锂的摩尔质量}} \times 96485 库仑

实际应用：

  • 设计电池时，需要根据化学方程式计算理论容量
  • 优化电池性能时，需要平衡正负极材料的比例

2. 传感器标定​

在传感器项目中，你需要根据化学方程式进行标定：

例子：pH 传感器

\ceH++OH−−>H2O\ce{H+ + OH- -> H2O}

标定过程：

  • 使用已知 pH 值的标准溶液
  • 根据 \ceH+\ce{H+} 浓度与 pH 的关系：pH=−log⁡[\ceH+]\text{pH} = -\log[\ce{H+}]
  • 建立传感器读数与 pH 值的对应关系

3. 材料配比​

在材料项目中，你需要根据化学式计算材料的配比：

例子：制作环氧树脂

\ce环氧树脂+固化剂−>固化产物\ce{环氧树脂 + 固化剂 -> 固化产物}

计算：

  • 根据化学式确定反应物的物质的量比
  • 根据相对分子质量计算质量比
  • 按照计算的比例混合材料

4. 化学反应优化​

在优化化学反应时，你需要进行化学计量计算：

例子：优化电池充电反应

\ceLi++e−+正极材料−>充电产物\ce{Li+ + e- + 正极材料 -> 充电产物}

优化：

  • 计算理论容量
  • 计算实际容量
  • 计算库仑效率：库仑效率=实际容量理论容量×100%\text{库仑效率} = \frac{\text{实际容量}}{\text{理论容量}} \times 100\%
  • 根据计算结果优化材料配比和工艺参数

5. 环境监测计算​

在环境监测项目中，你需要根据化学方程式计算污染物浓度：

例子：检测空气中的 \ceCO2\ce{CO2} 浓度

\ceCO2+H2O−>H2CO3\ce{CO2 + H2O -> H2CO3}

计算：

  • 根据传感器读数
  • 根据化学方程式和标准曲线
  • 计算 \ceCO2\ce{CO2} 的实际浓度

常见化学式的记忆​

1. 常见化合物​

名称化学式用途
水\ceH2O\ce{H2O}溶剂、冷却剂
二氧化碳\ceCO2\ce{CO2}灭火器、碳酸饮料
一氧化碳\ceCO\ce{CO}燃料、有毒气体
甲烷\ceCH4\ce{CH4}天然气、燃料
氨\ceNH3\ce{NH3}化肥、清洁剂
氯化钠\ceNaCl\ce{NaCl}食盐、电解质
硫酸\ceH2SO4\ce{H2SO4}工业原料、电池
硝酸\ceHNO3\ce{HNO3}工业原料、炸药
氢氧化钠\ceNaOH\ce{NaOH}清洁剂、工业原料
碳酸钙\ceCaCO3\ce{CaCO3}建筑材料、补钙剂

2. 常见离子​

名称离子式电荷
氢离子\ceH+\ce{H+}+1
钠离子\ceNa+\ce{Na+}+1
钾离子\ceK+\ce{K+}+1
钙离子\ceCa2+\ce{Ca^{2+}}+2
镁离子\ceMg2+\ce{Mg^{2+}}+2
铝离子\ceAl3+\ce{Al^{3+}}+3
氯离子\ceCl−\ce{Cl-}-1
氢氧根离子\ceOH−\ce{OH-}-1
硫酸根离子\ceSO42−\ce{SO4^{2-}}-2
碳酸根离子\ceCO32−\ce{CO3^{2-}}-2
硝酸根离子\ceNO3−\ce{NO3-}-1

小结​

化学式和化学计量是化学的重要工具：

  • 化学式：用元素符号和数字表示物质组成
    • 分子式：表示分子的组成
    • 实验式：表示元素的最简整数比
    • 结构式：表示原子的连接关系
    • 离子式：表示离子化合物的组成
  • 相对分子质量：分子中所有原子的相对原子质量之和
  • 化学计量：研究化学反应中物质数量关系
    • 化学方程式：表示化学反应
    • 质量关系：计算反应物和产物的质量
    • 物质的量关系：计算反应物和产物的物质的量
    • 体积关系：计算气体的体积关系

掌握化学式和化学计量，你就能准确地描述化学反应、计算反应物和产物的数量关系，这对于设计电池、优化传感器、选择材料等 STEM 项目都非常重要！

💡 小技巧：配平化学方程式时，可以从出现次数最少的元素开始，或者从原子数最多的化合物开始，这样更容易配平！

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