化學計量
化學計量[1]（stoichiometry）是化學反應中各物質量的相互關係，即反應物和生成物在化學反應前、反應中和反應後的量之間的關係。化學計量數[2]（stoichiometric number）則是化學反應方程式中各物質的係數，是化合物彼此反應的比例關係或數量，即各反應物或生成物前的數值。
例如，圖中為甲烷在空氣中完全燃燒的方程式，方程式中、前的數值（或「係數」）2就是它的化學計量數。當一個物質前的數值為1時，便省略不寫，如式中的和。
將一個未加化學計量數的方程補充化學計量數，使其符合物質、電荷守恆的過程叫做化學反應方程式的配平。
化學計量比 編輯
化學反應方程式中，各反應物的化學計量之比稱為化學計量比（stoichiometric ratio）。如果一個化學反應按照化學計量比發生，我們有如下假設：[3]
- 所有反應物都完全反應
- 反應物不缺少
- 反應物不過量
一些反應可以按照化學計量比進行反應，如溶液中的離子反應，有一些則需要其中的一種或多種反應物過量，如物質的燃燒。例如，對於反應：
- （沉澱反應）
- （中和反應）
無論哪一個反應物過量，都可以按照化學計量比進行；而對於
在氧氣過量的情況下，碳燃燒生成二氧化碳，而氧氣不足的時候，則有一氧化碳生成。[4]
對於一些反應，可以人為的控制化學計量比，來獲得不同化合物，尤其是一些二元化合物。如紅磷和鈷化合，根據不同的化學計量比，可以產生 、 和 ：[5]
化學反應中化學計量的特殊情況 編輯
燃料的燃燒 編輯
燃料在燃燒時，為確保反應完全，需要氧化劑過量。若空氣作為氧化劑，則使燃料完全燃燒所需的空氣與燃料之比成為空燃比。常見燃料的空燃比如下：
| 燃料 | 質量比[6] | 體積比[7] | 質量比百分數 |
|---|---|---|---|
| 汽油 | 14.7 : 1 | — | 6.8% |
| 天然氣 | 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% |
| 氫氣 | 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% |
和物質的量無關的反應 編輯
有一些反應進行的方式和物質的量無關，而和反應物的濃度有關，改變反應物的濃度，生成物的種類也隨之改變，如銅和硝酸的氧化還原反應：
- Cu + 4 HNO3（濃） → 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，按上式反應；而在4.8mol·L-1時，按下式反應。此時，無論硝酸或者銅是否過量，反應都按照硝酸的濃度進行，而和其物質的量無關。[8]類似地，對於硝酸鐵溶液和銀的反應，反應如何進行與硝酸鐵溶液的濃度有關，低濃度時，硝酸鐵水解產生的H3O+與NO3-和Ag反應；而高濃度的硝酸鐵則存在Fe3+氧化Ag和NO3-（H+）氧化Ag的競爭反應，通過理論計算，Fe3+在3.16mol·L-1以上便可氧化Ag。[9]
用途 編輯
對於一個已配平的化學反應方程式，已知其中一個參與反應的物質的量（或其它已知量，如質量等），或者其中一個生成物的物質的量，便可求出反應方程式中其它物質的量，這廣泛用於分析化學中的滴定、重量分析的計算中。[10]在物理化學中，如化學反應速率方程的求解與計算中，也能用到化學計量。[11]
而在物質的製備與合成中，往往需要將反應方程式中的化學計量比作為加料多少的參考；對於密閉空間有氣體產生的化學反應，也需要根據生成氣體的量來判斷反應是否安全。
參考文獻 編輯
- ^ 存档副本. [2023-07-15]. （原始內容存檔於2023-07-15）.
- ^ 存档副本. [2023-07-15]. （原始內容存檔於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
- ^ 武漢大學, 吉林大學 等. 無機化學（第三版）下冊. 高等教育出版社, 2011. pp 740. ISBN 978-7-04-004880
- ^ 項斯芬, 嚴宣申, 曹庭禮 等. 無機化學叢書 第四卷 氮 磷 砷分族. 科學出版社, 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
- ^ 羅宿星, 伍遠輝, 孫東來. 銅與硝酸反應實驗中硝酸濃稀界限的研究. 實驗室科學, 2012. 15(5): 67-69
- ^ 朱正德. 硝酸鐵溶液溶解銀鏡的理論分析與實驗探索. 化學教學, 2011(5): 78-79
- ^ 李璧玉. 淺議分析化學中的「化學計量數比」. 雲南師範大學學報(自然科學版), 2005. 25(1): 28-30
- ^ 潘一兵，張良軍. 速率方程與反應級數、化學計量數. 遼寧師專學報:自然科學版, 2001. 3(2): 17-18