3. 化学反应和计量

化学反应

化学方程式用于表示化学反应。以甲烷在空气中燃烧生成二氧化碳气体和水蒸气为例：

箭头左边的化学式表示起始物质——反应物，右边的化学式表示生成的物质——产物。化学式前的数字称为系数，表示参与反应分子的相对数量。配平系数时，通常先配平出现最少的元素，最终使每种元素两边原子个数相等，系数满足最简整数比。一般还需要在化学方程式中表明物质的物理状态，符号 、、 和 分别表示物质为气体、液体、固体和溶液。上式可改写为：

有三种化学反应的基本类型为：化合反应、分解反应和燃烧反应。了解一类物质的反应类型能帮助由反应物预测生成产物。

化合反应是多种反应物化合生成一种单一产物的反应类型。许多单质以这种方式生成化合物。如镁金属在空气中燃烧生成氧化镁：

原子失去电子形成 ， 得到电子形成 ，反应时产生强烈火焰，生成白色离子化合物 。该反应可应用于烟花。据此可预测金属与非金属反应的产物。

分解反应中，一种物质反应生成多种其他物质。许多化合物加热时产生此类反应。如，金属碳酸盐加热时分解生成金属氧化物和二氧化碳：

叠氮化钠（）分解迅速释放 ：

该反应用于安全气囊。汽车发生撞击后，触发雷管从而提供反应所需能量。

燃烧反应是可以产生火焰的剧烈反应，多数以空气中的氧气作为反应物。烃类的燃烧反应是目前的主要能源利用过程，如前文中甲烷燃烧的反应。又如丙烷燃烧：

反应中水的物理状态取决于反应条件，本反应中 由高温火焰造成。烃的含氧化合物，如甲醇 ，在空气中燃烧同样生成二氧化碳和水，此规律适用于非常多化合物与氧气的反应。

计量

物质的式量表示其化学式中各原子质量之和。如计算 式量：

单质的式量即为元素的原子质量。若化学式为分子，则也称其式量为分子量。离子化合物中不存在分子，用经验式表示，其式量为经验式中各原子量之和。物质中元素的质量百分比称为元素组成：

化学实验室样品中原子、离子和分子的计数单位是物质的量（amount of substance），缩写/单位为摩尔（），常将该物理量简称为摩尔数（mole number）或摩尔（the moles）。 所含基本粒子的数量与 的 所含碳原子数量相同，约为 ，该值称为阿伏伽德罗常数 ，其单位为物质的量单位的倒数，，即， 表示每 物质含有 个粒子。

根据定义，以原子质量单位表示的一种元素的相对原子质量在数值上等于以 为单位表示的 元素的质量，分子也存在相同的数值关系，这个与物质式量（相对原子质量或分子量）相等的数值称为物质的摩尔质量，单位为 。

利用量纲分析进行上述物理量间的转换。如计算 分子数：

可见，摩尔质量和阿伏伽德罗常数分别是 与 、 与粒子数的换算因数。

利用物质的量可以计算化合物的经验式，如，汞和氯的化合物含有质量分数 的汞和 的氯，设该化合物质量为 ，则

因此，用较大的量除以较小的量（对于多种元素，则分别用各元素的量除以最小的量）得

非整数的物质的量比由实验误差产生。由此，该化合物的经验式便确定为 。事实上，对于此类问题，由于摩尔质量以 表示，我们通常可以设化合物质量为 来简化计算，例如，写出 上述给定物质中 的物质的量为

物质分子式的下标是经验式的整数倍。若已知化合物的分子量或摩尔质量（，数值上相等），便可得到这个整数倍数，从而根据经验式得到分子式：

化合物完全燃烧时， 转化为 ， 转化为 。因此，实验室中利用燃烧分析法确定物质经验式。然后，由分子量或摩尔质量得到其分子式。例如， 某 构成的化合物燃烧生成 和 ，摩尔质量为 ，则

据此求出各元素物质的量：

\ce{H}物质的量=\left(\pu{0.0232g \ce{H}}\right)\left(\frac{\pu{1mol \ce{H}}}{\pu{1.01g \ce{H}}}\right)=\pu{0.0232 mol \ce{H}}

\ce{O}物质的量=\left(\pu{0.0618g \ce{O}}\right)\left(\frac{\pu{1mol \ce{O}}}{\pu{16.0g \ce{O}}}\right)=\pu{0.00386 mol \ce{O}}

\ce{C}:\frac{0.0116}{0.00386}=3.0 \quad H:\frac{0.0232}{0.00386}=6.0 \quad O:\frac{0.00386}{0.00386}=1.0

\ce{2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)}

\pu{2mol \ce{H2}} \bumpeq \pu{1mol \ce{O2}} \bumpeq \pu{2mol \ce{H2O}}

产率=\frac{实际产量}{理论产量}\times 100%