化学计量——一步一步学会

化学计量是指利用配平后的化学方程式，计算需要多少反应物，或能生成多少生成物。在大多数课堂题目中，解题路径都很直接：先把已知量换算成物质的量，再利用方程式中的物质的量之比，最后换算成题目要求的单位。

如果题目一开始给的是质量（克），通常要先把克换算成摩尔。如果最后要求的是克，就再把摩尔换算回克。如果题目给出了多个反应物的量，还必须判断哪个反应物会先耗尽。

化学计量怎么一步一步做

对于大多数入门化学计量题，完整过程如下：

1. 配平化学方程式。
2. 如果已知量不是摩尔，先把它换算成摩尔。
3. 用配平方程式中的系数作为物质的量之比。
4. 把结果换算成题目要求的单位。

这就是整个基本结构。大多数错误都出在某一步被跳过了，或者顺序做错了。

为什么必须先配平方程式

方程式中的系数表示的是物质的量之比，不是质量之比。例如，在

$$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$$

这个反应中，系数比是 $1:1:1$，所以如果分解完全，$1$ mol 的 $CaCO_3$ 会生成 $1$ mol 的 $CO_2$。

如果方程式没有配平，后面的每一步换算都会出错。化学计量之所以成立，正是因为配平后的方程式保持了每种原子的数量守恒。

化学计量例题：克到克

假设有 $25.0\ \mathrm{g}$ 的碳酸钙 $CaCO_3$ 完全分解。会生成多少克二氧化碳 $CO_2$？

先写出配平后的方程式：

$$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$$

第 1 步：把已知质量换算成摩尔

使用 $CaCO_3$ 的摩尔质量，约为 $100.09\ \mathrm{g/mol}$。

$$\text{moles of } CaCO_3 = \frac{25.0\ \mathrm{g}}{100.09\ \mathrm{g/mol}} \approx 0.250\ \mathrm{mol}$$

第 2 步：使用物质的量之比

方程式表明 $CaCO_3$ 和 $CO_2$ 的比是 $1:1$。

$$0.250\ \mathrm{mol}\ CaCO_3 \rightarrow 0.250\ \mathrm{mol}\ CO_2$$

第 3 步：把生成物的摩尔数换算成克

使用 $CO_2$ 的摩尔质量，约为 $44.01\ \mathrm{g/mol}$。

$$\text{mass of } CO_2 = 0.250\ \mathrm{mol} \times 44.01\ \mathrm{g/mol} \approx 11.0\ \mathrm{g}$$

所以，如果反应完全进行，$25.0\ \mathrm{g}$ 的 $CaCO_3$ 大约会生成 $11.0\ \mathrm{g}$ 的 $CO_2$。

这个例子展示了化学计量最常见的思路：质量 $\rightarrow$ 摩尔 $\rightarrow$ 物质的量之比 $\rightarrow$ 质量。

化学计量的换算路径

很多学生把化学计量看成一个单位转换路径后，会觉得更容易理解：

$$\text{given unit} \rightarrow \text{moles of given substance} \rightarrow \text{moles of target substance} \rightarrow \text{target unit}$$

如果题目一开始给的就是摩尔，就可以跳过第一步换算。如果答案也要求用摩尔表示，那就在最后一步换算之前停止。

化学计量常见错误

把系数当成质量比

系数比较的是摩尔，不是克。$1:1$ 的摩尔比并不意味着质量相等。

忘记先配平

没有配平的方程式会给出错误的物质的量之比，所以即使计算过程很仔细，答案也会错。

跳过“先转摩尔”这一步

如果题目一开始给的是克、升或粒子数，不要直接跳到另一种物质。物质的量之比必须通过摩尔来使用。

忽略限量反应物

如果题目给出了两种或更多反应物的量，那么按化学计量关系能提供较少的一方会决定生成物的量。上面的四步流程仍然适用，但你必须先判断哪个是限量反应物。

化学中什么时候会用到化学计量

只要化学问题在问“有多少”，就会用到化学计量。它常见于产率计算、气体生成、燃烧、溶液化学、滴定以及实验配制中。

当你已经掌握了方程式配平和摩尔质量计算后，化学计量会特别好用，因为这两个知识点几乎提供了它所需要的一切基础。

试着做一道类似的化学计量题

用同一个反应，把问题反过来：如果需要 $22.0\ \mathrm{g}$ 的 $CO_2$，那么必须分解多少克 $CaCO_3$？解这道题是检验你是否真正理解“物质的量之比”这一步的好方法。