化学计量学

它是化学的一个分支，研究参与化学反应的物质（反应物或产物或两者）的数量。它指的是化学方程的一个重要方面，即当化学方程以平衡形式书写时，它以摩尔、质量、分子和体积为单位，给出各种反应物和产物之间的定量关系。例如，如果 A 与 B 反应生成 C 和 D，那么化学计量就可以告诉我们，有多少摩尔的 A 被用于产生 C 和 D 的摩尔数，或者有多少摩尔的 B 被用于产生 C 和 D 的摩尔数，反之亦然。

根据其定义，它不仅告诉我们摩尔数，还告诉我们用于生产产物质量、分子或体积的反应物的质量、分子或体积。例如，它可以告诉我们需要多少质量的 A 来生产产物 C 和 D 的质量，或者需要多少质量的 B 来生产 C 和 D，或者只生产 C 或 D，反之亦然。

因此，化学计量主要与使用平衡的化学方程来计算反应的反应物的量（质量或体积）或化学反应中产生的产物的量有关或处理。它主要处理产物和反应物的质量或体积。因此，为了解决化学计量问题，人们必须理解化学的以下概念。

• 如何平衡化学方程
• 克与摩尔的相互转换
• 摩尔质量和摩尔比的计算

化学反应及其输出取决于反应物的数量，这可以通过化学计量来确定，因为它告诉您生产所需数量的产物所需的反应物数量或总量，或者从给定数量的反应物可以生产多少产物。因此，我们可以说化学计量就是关于数字的。

“stoichiometry”一词源自希腊语“stoicheion”，意为元素，metron 意为度量。

因此，当您使用化学计量或处理化学计量问题时，您可能正在测量或处理以下任何一项；

• 反应前确定反应物质量
• 计算反应后产物的质量
• 反应物和产物的分子量
• 化合物的化学方程和化学式

让我们以氯化钠 (NaCl) 为例来理解化学计量的应用或用途。在 NaCl 中，两个离子结合形成离子化合物 NaCl。当我们查看化学反应或化学方程时，一个钠离子 (Na⁺) 与一个氯离子 (Cl^-) 反应生成 NaCl。现在使用化学计量，您可以找出需要一个钠离子和一个氯离子来形成一个 NaCl 分子。因此，您可以计算一个钠原子和氯原子的质量，以找出形成一个氯化钠分子所需钠和氯的质量。因此，即使您有一百万个钠原子但只有一个氯原子，也只能形成一个 NaCl 分子。对于这种组合，您无法做任何事情来制造更多的 NaCl 分子。例如；

10, 00, 000 Na + 1 Cl → 1 NaCl + 999999 Na atoms

让我们再举一个例子；

当您向氢气和氧气混合物中加入火花时，氢气和氧气分子会结合生成水。化学反应可以这样写

2H₂ + O₂ → 2H₂O

让我们看看化学计量在这里起什么作用。当我们看到化学方程时，方程的两边都有四个氢原子和两个氧原子。因此，这是一个平衡的化学方程，因为所有反应都遵循质量守恒定律。因此，从这个平衡的化学方程可以清楚地看出，我们需要两倍的氢原子作为我们所拥有的氧原子。现在，我们知道进行此反应需要多少原子。因此，如果我们向容器中装满一千个氢分子 (H₂) 和一个氧分子 (O₂) 并加入火花，就不会发生巨大的反应，因为只有一个氧分子，并且只会生成两个水分子；多余的氢分子将无用。

化学计量系数

它也称为化学计量数，因为它指的是参与化学反应的分子数量。例如，在平衡的化学反应中，方程的两边总是存在相同数量的元素，并且在元素、离子或分子前面存在一个数字。这个数字称为化学计量系数或化学计量数。

化学计量系数可以是整数或分数。例如，在下面的平衡化学方程中，氢前面的 2 和氧前面的 1（一个氧分子）是化学计量系数。

2H₂ + O₂ → 2H₂O

化学计量问题

基于单个反应物或单个反应物化学计量问题

单个反应物并不意味着我们只有一个反应物。它意味着我们给出了关于一个反应物的信息（质量、体积等），并且需要根据反应物的给定质量或体积来计算产物 C 和 D 的数量（例如它们的质量、体积等），反之亦然。

例如；可能存在以下化学反应；

A + B → C + D

其中 B 的数量未给出，并且根据 A 或 B（一个反应物）的给定数量，我们需要说明 C 或 D 或两个产物的数量。也可以是反过来，例如给出了产物的数量，需要计算一个或所有反应物的数量。

消耗的反应物量或产生的产物量可以以质量或体积的形式给出。因此，反应物和产物之间可以存在以下三种关系，相应地我们必须解决化学计量问题。

i) 质量-质量关系：顾名思义，给出了一个反应物或产物的质量，需要计算另一个产物或反应物的质量。它被称为质量-质量关系，因为给出了质量并需要计算质量。

ii) 质量-体积关系：在这种情况下，给出了一个反应物或产物的质量或体积，需要计算剩余一个或多个产物的质量或体积。例如，给出了一个反应物的质量，需要计算其中一个产物的体积，反之亦然，或者给出了体积并需要计算质量。

iii) 体积-体积关系：在这种情况下，给出了其中一个反应物或产物的体积，需要计算任何剩余反应物或产物的体积。

因此，化学计量问题可以是以上三种类型或基于关系的问题。此外，在解决这些问题时，必须遵循一系列步骤，例如；

i) 写出平衡的化学方程。

ii) 写出反应物和产物的摩尔数或克原子/分子质量

iii) 对于气态反应物或产物，在 STP 下写出 22.4 升的体积，而不是 1 摩尔。

iv) 现在，使用单位法进行所需的计算，例如如果要计算质量，则将摩尔转换为质量；如果要计算体积，则将摩尔或质量转换为体积。首先，您应该有摩尔，因为它们可以根据问题转换为质量或体积。

现在，让我们根据上述关系中的任何一种来解决一些化学计量问题，并使用上述四个步骤。

让我们先来看一个基于质量-质量关系的化学计量问题。

问题：计算 8 克甲烷 (CH₄) 在充足空气中燃烧时产生的二氧化碳 (CO₂) 气体的质量。

解决方案

这是一个基于质量-质量关系的问题，因为给出了甲烷的质量，我们需要计算二氧化碳的质量。

现在，让我们按照上述步骤来解决这个问题。

未给出反应，因此，让我们先写出化学反应并对其进行平衡，这是进一步进行的第一步。

CH₄ + O₂ → CO_{2 +} H₂O

由于是在空气存在下的燃烧反应，因此我们将氧气作为其中一种反应物。因此，甲烷的碳和氢将被氧化，生成二氧化碳 (CO₂) 和水 (H₂O)。

如下平衡上述化学方程；

CH₄ + 2O₂ → CO_{2 +} 2H₂O

平衡上述反应后，化学方程的每一侧都有相同数量的氧、氢和碳原子。

现在，我们将检查摩尔数。我们有 1 摩尔甲烷，2 摩尔氧气，1 摩尔二氧化碳和 2 摩尔水。

现在，我们将查看给定反应物和要计算的产物的摩尔比。

根据化学方程，甲烷：二氧化碳的摩尔比为 1:1，这表明 1 摩尔甲烷在过量空气中燃烧生成 1 摩尔二氧化碳气体。

现在，1 摩尔甲烷为 16 克，因为 CH₄ (12 克 + (1 克 x4) = 16 克。

类似地，1 摩尔二氧化碳为 44 克，因为 CO₂ (12 克 + (2 x 16克) = 44 克。

因此，从以上两个观察结果可以清楚地看出，16 克甲烷在过量空气中完全燃烧会生成 44 克二氧化碳。

现在，16 克 CH₄ → 44 克 CO₂

因此，给定的 8 克甲烷将产生 = 44 /16 x 8 = 22 克二氧化碳。

→ 8 克 CH₄ → 22 克 CO₂

现在，让我们来解决基于质量-体积关系的化学计量问题。

问题：计算 32 克甲烷在过量空气中燃烧时产生的 CO₂ 和水蒸气的体积。

解决方案

我们已经给出了质量，并且被要求计算体积，因此这是一个基于质量-体积关系的类型问题。

现在，根据问题写出化学反应并平衡化学反应后，我们将得到

CH₄ + 2O₂ → CO_{2 +} 2H₂O

现在，方程的两侧都有相同数量的氧、氢和碳原子，以及 1 摩尔甲烷、2 摩尔氧气、1 摩尔二氧化碳和 2 摩尔水。

现在，甲烷和二氧化碳的摩尔比 = CH₄: CO₂ = 1: 1

这表明 1 摩尔甲烷在燃烧时产生 1 摩尔一氧化碳。

现在，1 摩尔甲烷意味着 16 克甲烷产生 22.4 升 CO₂，这相当于 1 摩尔 CO₂（这里，我们不会取克，因为我们被要求计算 CO₂ 的体积，在 STP（标准温度和压力条件）下为 22.4 升）。

现在，16 克 CH₄ 产生 22.4 升 CO₂

因此，32 克 CH₄ 将产生 22.4/16 x 32 = 44.8 升 CO₂ 气体或 2 卷 CO₂，因为它是 STP 下 CO₂ 体积的两倍，而 STP 下 CO₂ 体积被认为是 1 卷。

现在，我们将计算此反应中产生的蒸汽或 H₂O 的量。

甲烷和水 (CH₄ 和 H₂O) 的摩尔比为 1: 2，这表明 1 摩尔甲烷在燃烧时会产生 2 摩尔水蒸气。我们可以这样写；

1 摩尔 CH₄ → 2 摩尔 H₂O

因此，16 克 CH₄ → 2 卷 H₂O 或 2 x 22.4 = 44.8 升 H₂O，因为我们假设反应发生在 STP，因为我们在问题中没有给出任何特定的温度和压力。

现在，32 克 CH₄ 将产生 2 x 44.8 = 89.6 升水蒸气或 4 卷 H₂O。

现在，让我们来解决基于体积-体积关系的化学计量问题。

问题：当 10 卷双氢气与 5 卷双氧气反应时，能产生多少卷水蒸气？

解决方案

让我们为给定的反应写出一个平衡的化学反应。

2H₂ + O₂ → 2H₂O

现在，我们有 2 摩尔氢气和 1 摩尔氧气以及 2 摩尔 H₂O。

H₂ 和 H₂O 的摩尔比为 2 摩尔: 2 摩尔或 1: 1，这意味着 1 摩尔或 1 卷 H₂ 与 O₂ 反应生成 1 摩尔或 1 卷 H₂O。

因此，10 卷双氢气将产生 10 卷 H₂O。

我们还可以选择 O₂ 和 H₂O 的摩尔比来计算此反应中产生的水蒸气体积。

O₂ 和 H₂O 的摩尔比为 1: 2，这表明 1 摩尔或 1 卷 O₂ 将被消耗，在此反应中产生 2 摩尔或 2 卷 H₂O。

因此，5 卷给定的双氧气 (O₂) 将产生 5 x 2 = 10 卷水蒸气 (H₂O)。