化学计量(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(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、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,如式中的和。
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:
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:
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
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。
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 、 和 :
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 | 体积比 | 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% |
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:
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。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。
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。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。
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。
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