化学计量

化学计量^[1]（stoichiometry）是化学反应中各物质量的相互关系，即反应物和生成物在化学反应前、反应中和反应后的量之间的关系。化学计量数^[2]（stoichiometric number）则是化学反应方程式中各物质的系数，是化合物彼此反应的比例关系或数量，即各反应物或生成物前的数值。

例如，图中为甲烷在空气中完全燃烧的方程式，方程式中 ${\ce {O2}}$ 、 ${\ce {H2O}}$ 前的数值（或“系数”）2就是它的化学计量数。当一个物质前的数值为1时，便省略不写，如式中的 ${\ce {CH4}}$ 和 ${\ce {CO2}}$ 。

将一个未加化学计量数的方程补充化学计量数，使其符合物质、电荷守恒的过程叫做化学反应方程式的配平。

化学计量比编辑

化学反应方程式中，各反应物的化学计量之比称为化学计量比（stoichiometric ratio）。如果一个化学反应按照化学计量比发生，我们有如下假设：^[3]

所有反应物都完全反应
反应物不缺少
反应物不过量

一些反应可以按照化学计量比进行反应，如溶液中的离子反应，有一些则需要其中的一种或多种反应物过量，如物质的燃烧。例如，对于反应：

{\ce {2Ag+ + S^2- -> Ag2S v}}

（沉淀反应）

{\ce {H+ + OH- -> H2O}}

（中和反应）

无论哪一个反应物过量，都可以按照化学计量比进行；而对于

{\ce {C + O2 -> CO2}}

{\ce {2C + O2 -> 2CO}}

在氧气过量的情况下，碳燃烧生成二氧化碳，而氧气不足的时候，则有一氧化碳生成。^[4]

对于一些反应，可以人为的控制化学计量比，来获得不同化合物，尤其是一些二元化合物。如红磷和钴化合，根据不同的化学计量比，可以产生 ${\ce {Co2P}}$ 、 ${\ce {CoP}}$ 和 ${\ce {CoP3}}$ ：^[5]

{\ce {2 Co + P -> Co2P}}

{\ce {Co + P -> CoP}}

{\ce {Co + 3 P -> CoP3}}

化学反应中化学计量的特殊情况编辑

燃料的燃烧编辑

燃料在燃烧时，为确保反应完全，需要氧化剂过量。若空气作为氧化剂，则使燃料完全燃烧所需的空气与燃料之比成为空燃比。常见燃料的空燃比如下：

燃料	质量比^[6]	体积比^[7]	质量比百分数
汽油	14.7 : 1	—	6.8%
天然气	17.2 : 1	9.7 : 1	5.8%
丙烷	15.67 : 1	23.9 : 1	6.45%
乙醇	9 : 1	—	11.1%
甲醇	6.47 : 1	—	15.6%
正丁醇	11.2 : 1	—	8.2%
氢气	34.3 : 1	2.39 : 1	2.9%
柴油	14.5 : 1	—	6.8%
甲烷	17.19 : 1	9.52 : 1	5.5%

和物质的量无关的反应编辑

有一些反应进行的方式和物质的量无关，而和反应物的浓度有关，改变反应物的浓度，生成物的种类也随之改变，如铜和硝酸的氧化还原反应：

Cu + 4 HNO₃（浓） → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂↑ + 2 H₂O

3 Cu + 8 HNO₃（稀） → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO↑ + 4 H₂O

在10mol·L^-1以上的硝酸中，按上式反应；而在4.8mol·L^-1时，按下式反应。此时，无论硝酸或者铜是否过量，反应都按照硝酸的浓度进行，而和其物质的量无关。^[8]类似地，对于硝酸铁溶液和银的反应，反应如何进行与硝酸铁溶液的浓度有关，低浓度时，硝酸铁水解产生的H₃O⁺与NO₃^-和Ag反应；而高浓度的硝酸铁则存在Fe³⁺氧化Ag和NO₃^-（H⁺）氧化Ag的竞争反应，通过理论计算，Fe³⁺在3.16mol·L^-1以上便可氧化Ag。^[9]

用途编辑

对于一个已配平的化学反应方程式，已知其中一个参与反应的物质的量（或其它已知量，如质量等），或者其中一个生成物的物质的量，便可求出反应方程式中其它物质的量，这广泛用于分析化学中的滴定、重量分析的计算中。^[10]在物理化学中，如化学反应速率方程的求解与计算中，也能用到化学计量。^[11]

而在物质的制备与合成中，往往需要将反应方程式中的化学计量比作为加料多少的参考；对于密闭空间有气体产生的化学反应，也需要根据生成气体的量来判断反应是否安全。

参考文献编辑

^ 存档副本. [2023-07-15]. （原始内容存档于2023-07-15）.
^ 存档副本. [2023-07-15]. （原始内容存档于2023-07-15）.
^ What’s in a Name? Amount of Substance, Chemical Amount, and Stoichiometric Amount Carmen J. Giunta Journal of Chemical Education 2016 93 (4), 583-586 doi:10.1021/acs.jchemed.5b00690
^ 武汉大学, 吉林大学等. 无机化学（第三版）下册. 高等教育出版社, 2011. pp 740. ISBN 978-7-04-004880
^ 项斯芬, 严宣申, 曹庭礼等. 无机化学丛书第四卷氮磷砷分族. 科学出版社, 2011: pp 162. ISBN 978-7-03-030548-0
^ John B. Heywood: "Internal Combustion Engine Fundamentals page 915", 1988
^ North American Mfg. Co.: "North American Combustion Handbook", 1952
^ 罗宿星, 伍远辉, 孙东来. 铜与硝酸反应实验中硝酸浓稀界限的研究. 实验室科学, 2012. 15(5): 67-69
^ 朱正德. 硝酸铁溶液溶解银镜的理论分析与实验探索. 化学教学, 2011(5): 78-79
^ 李璧玉. 浅议分析化学中的“化学计量数比”. 云南师范大学学报(自然科学版), 2005. 25(1): 28-30
^ 潘一兵，张良军. 速率方程与反应级数、化学计量数. 辽宁师专学报:自然科学版, 2001. 3(2): 17-18

链接编辑

中文化学计量计算器（页面存档备份，存于互联网档案馆）

[1] 存档副本. [2023-07-15]. （原始内容存档于2023-07-15）.

[2] 存档副本. [2023-07-15]. （原始内容存档于2023-07-15）.

[3] What’s in a Name? Amount of Substance, Chemical Amount, and Stoichiometric Amount Carmen J. Giunta Journal of Chemical Education 2016 93 (4), 583-586 doi:10.1021/acs.jchemed.5b00690

[4] 武汉大学, 吉林大学等. 无机化学（第三版）下册. 高等教育出版社, 2011. pp 740. ISBN 978-7-04-004880

[5] 项斯芬, 严宣申, 曹庭礼等. 无机化学丛书第四卷氮磷砷分族. 科学出版社, 2011: pp 162. ISBN 978-7-03-030548-0

[6] John B. Heywood: "Internal Combustion Engine Fundamentals page 915", 1988

[7] North American Mfg. Co.: "North American Combustion Handbook", 1952

[8] 罗宿星, 伍远辉, 孙东来. 铜与硝酸反应实验中硝酸浓稀界限的研究. 实验室科学, 2012. 15(5): 67-69

[9] 朱正德. 硝酸铁溶液溶解银镜的理论分析与实验探索. 化学教学, 2011(5): 78-79

[10] 李璧玉. 浅议分析化学中的“化学计量数比”. 云南师范大学学报(自然科学版), 2005. 25(1): 28-30

[11] 潘一兵，张良军. 速率方程与反应级数、化学计量数. 辽宁师专学报:自然科学版, 2001. 3(2): 17-18

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