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。

提示：此條目的主題不是化學計量學。

例如，圖中為甲烷在空氣中完全燃燒的方程式，方程式中${\displaystyle {\ce {O2}}}$、${\displaystyle {\ce {H2O}}}$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${\displaystyle {\ce {CH4}}}$和${\displaystyle {\ce {CO2}}}$。

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

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]

1. 所有反應物都完全反應
2. 反應物不缺少
3. 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：

${\displaystyle {\ce {2Ag+ + S^2- -> Ag2S v}}}$（沉澱反應）

${\displaystyle {\ce {H+ + OH- -> H2O}}}$（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

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

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

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${\displaystyle {\ce {Co2P}}}$、${\displaystyle {\ce {CoP}}}$和${\displaystyle {\ce {CoP3}}}$：^[5]

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

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

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

化學反應中化學計量的特殊情況

燃料的燃燒

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

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

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

1. 存档副本. [2023-07-15]. （原始內容存檔於2023-07-15）.
2. 存档副本. [2023-07-15]. （原始內容存檔於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
5. 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
6. John B. Heywood: "Internal Combustion Engine Fundamentals page 915", 1988
7. North American Mfg. Co.: "North American Combustion Handbook", 1952
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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

連結

中文化學計量計算器 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）