化学式的含义与书写

生活中，商品有条形码，地图有坐标，而化学物质有化学式。一瓶矿泉水的成分标签上写着 $\text{H}_2\text{O}$ ，一袋小苏打袋上印着 $\text{NaHCO}_3$ ，这些由字母和数字组合而成的“代码”，其实是化学家描述物质组成的专用语言。读懂化学式，就能从一串简单的符号中，读出物质由哪些元素构成、各含几个原子，甚至推算出它的质量。

化学式是什么

将铁丝放入硫酸铜溶液中，过一会儿铁丝表面出现了红色固体；把蜡烛点燃，燃烧时产生水蒸气和二氧化碳……无论多么复杂的化学变化，最终都可以用化学符号来描述其中每一种物质。

化学式是用元素符号和数字来表示物质组成的式子。每一种纯净物都有且只有一种化学式，不同的物质对应不同的化学式。

化学式不是随意组合的字母，它必须真实反映物质的实际组成。每一个化学式背后，都有实验数据作为依据。

写化学式时，元素符号的排列有一定规则：一般把活泼金属或氢写在左边，非金属或氧写在右边。例如氯化钠写作 $\text{NaCl}$ ，而不是 $\text{ClNa}$ ；水写作 $\text{H}_2\text{O}$ ，而不是 $\text{OH}_2$ 。

化学式的宏观含义

化学式能从宏观角度告诉我们一种物质的组成信息。以水的化学式 $\text{H}_2\text{O}$ 为例，它在宏观层面传达了两条重要信息：

第一：表示一种具体的物质。

$\text{H}_2\text{O}$ 就是水，这个符号代表水这种物质，区别于其他一切物质。

第二：表示该物质由哪些元素组成。

$\text{H}_2\text{O}$ 告诉我们水是由氢元素（H）和氧元素（O）两种元素组成的。

例题

硫酸铜的化学式为 $\text{CuSO}_4$ ，请说出它的宏观含义。

$\text{CuSO}_4$ 宏观含义：表示硫酸铜这种物质；硫酸铜由铜元素（Cu）、硫元素（S）和氧元素（O）三种元素组成。

判断一种物质含有哪些元素，只需看化学式中出现了哪几种元素符号，有几种元素符号就含有几种元素。

化学式的微观含义

在微观层面，化学式揭示的信息更加丰富。它不仅说明元素的种类，还精确描述了每个分子（或最小结构单元）中各元素原子的数量关系。

以 $\text{H}_2\text{O}$ 为例，微观含义是：一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。

\underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{一个水分子}} \longrightarrow \underbrace{2\text{个氢原子}}_{\text{下标}2} + \underbrace{1\text{个氧原子}}_{\text{O后无数字即为}1}

再看 $\text{CO}_2$ （二氧化碳）的微观含义：一个二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子构成。

\underbrace{\text{CO}_2}_{\text{一个二氧化碳分子}} \longrightarrow \underbrace{1\text{个碳原子}}_{\text{C后无数字即为}1} + \underbrace{2\text{个氧原子}}_{\text{下标}2}

当化学式中某个元素符号后面没有数字时，默认该元素的原子个数为1。例如 $\text{CO}_2$ 中，碳原子（C）的个数就是1，不是0。

例题

指出 $\text{H}_2\text{SO}_4$ （硫酸）中各种原子的个数，并说明一个硫酸分子的构成。

一个硫酸分子由以下原子构成：

氢原子（H）：下标为2，共 2个
硫原子（S）：无下标，共 1个
氧原子（O）：下标为4，共 4个

因此，一个硫酸分子共含 $2 + 1 + 4 = 7$ 个原子。

化学式中数字的含义

化学式中数字出现在不同位置，代表的意思截然不同。掌握这一规律，是读懂所有化学符号的关键。

符号右下角的数字（下标）：表示一个分子中该元素原子的个数。

\text{H}_{\mathbf{2}}\text{O} \quad \Rightarrow \quad \text{一个水分子中含} \mathbf{2} \text{个氢原子}

符号前面的数字（系数）：表示分子或原子的个数。

\mathbf{3}\text{H}_2\text{O} \quad \Rightarrow \quad \mathbf{3}\text{个水分子}

系数与下标同时出现时，原子总数 = 系数 × 下标。

3\text{H}_2\text{O} \Rightarrow \text{H原子总数} = 3 \times 2 = 6\text{个}，\quad \text{O原子总数} = 3 \times 1 = 3\text{个}

例题

在 $4\text{Fe}_2\text{O}_3$ 中，铁原子和氧原子各有多少个？

\text{铁原子总数} = 4 \times 2 = 8 \text{ 个}

\text{氧原子总数} = 4 \times 3 = 12 \text{ 个}

记住一个口诀：“前面的数字数分子，右下角的数字数原子”。系数告诉你有多少个分子，下标告诉你每个分子里有多少个某种原子，两者相乘就是该原子的总数。

相对分子质量的计算

既然化学式告诉了我们每种原子的数量，自然就能用来计算物质的“质量”。化学中用相对分子质量来比较不同分子的轻重，单位为1（通常不写出来）。

计算方法：把化学式中每种元素的相对原子质量乘以该元素的原子个数，再把所有结果相加。

M(\text{物质}) = \sum (\text{相对原子质量} \times \text{原子个数})

常用元素的相对原子质量：

例题1：计算水（ $\text{H}_2\text{O}$ ）的相对分子质量

M(\text{H}_2\text{O}) = 2 \times 1 + 1 \times 16 = 2 + 16 = 18

例题2：计算二氧化碳（ $\text{CO}_2$ ）的相对分子质量

M(\text{CO}_2) = 1 \times 12 + 2 \times 16 = 12 + 32 = 44

例题3：计算硫酸（ $\text{H}_2\text{SO}_4$ ）的相对分子质量

M(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2 \times 1 + 1 \times 32 + 4 \times 16 = 2 + 32 + 64 = 98

相对分子质量没有单位，或者说单位为“1”。它是一个纯粹的比值，表示该分子的质量是氢原子质量的多少倍。正是因为有了相对原子质量和相对分子质量，化学计算才得以进行。

常见物质的化学式

化学式的书写要依据物质的实际组成，不能随意编造。学习化学，有一批最基础、最常用的化学式需要熟练记忆，它们构成了化学学习的“词汇量”。

单质的化学式

单质是由同种元素组成的纯净物。金属单质和固态非金属单质（如碳、硫、磷）的化学式直接用元素符号表示；气态非金属单质通常以双原子分子形式存在，化学式中含有下标2。

化合物的化学式

化合物由两种或两种以上元素组成，化学式的书写需要同时写出各元素符号及对应的原子个数。

例题

下列说法中，哪些是正确的？

$\text{CO}$ （一氧化碳）和 $\text{CO}_2$ （二氧化碳）是两种截然不同的物质：一氧化碳是有毒气体，吸入会危及生命；二氧化碳无毒，但浓度过高会使人窒息。书写化学式时，下标数字绝对不能写错，一个数字之差，物质完全不同。

练习题

选择题

第1题　【化学式的宏观含义】

下列关于 $\text{CO}_2$ 的说法，正确的是：

A. $\text{CO}_2$ 由碳原子和氧原子混合而成

B. $\text{CO}_2$ 由碳元素和氧元素组成，每个分子含1个碳原子和2个氧原子

C. $\text{CO}_2$ 由1个碳和2个氧组成，碳和氧的质量比为1:2

D. $\text{CO}_2$ 和 $\text{CO}$ 是同一种物质，因为它们含有相同的元素

答案：B

$\text{CO}_2$ 的宏观含义是由碳元素和氧元素组成；微观含义是一个二氧化碳分子由1个碳原子和2个氧原子构成。A项错误，原子不是“混合”在一起的；C项错误，碳和氧的原子个数比为1:2，但质量比为 $12:(2\times16)=12:32=3:8$ ；D项错误，和是两种不同的物质。

第2题　【化学式中数字的含义】

在 $3\text{H}_2\text{O}$ 中，“3”和“2”分别表示：

A. 3个氢原子，2个氧原子

B. 3个水分子，每个水分子中有2个氢原子

C. 3种元素，2个氢元素

D. 3个氢分子，2个水分子

答案：B

化学式前面的数字是系数，表示分子的个数；化学式中右下角的数字是下标，表示一个分子中该元素原子的个数。 $3\text{H}_2\text{O}$ 中“3”是系数，表示3个水分子；“2”是 $\text{H}$ 的下标，表示每个水分子中有2个氢原子。

第3题　【相对分子质量的计算】

氨气（ $\text{NH}_3$ ）的相对分子质量是（已知：N的相对原子质量为14，H的相对原子质量为1）：

A. 15　　B. 17　　C. 18　　D. 14

答案：B

M(\text{NH}_3) = 1 \times 14 + 3 \times 1 = 14 + 3 = 17

第4题　【原子个数计算】

在 $2\text{Fe}_2\text{O}_3$ 中，铁原子和氧原子的总数分别是：

A. 铁原子2个，氧原子3个

B. 铁原子2个，氧原子6个

C. 铁原子4个，氧原子6个

D. 铁原子4个，氧原子3个

答案：C

系数“2”表示有2个 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 单元。每个单元中：铁原子（Fe的下标为2）有2个，氧原子（O的下标为3）有3个。

\text{铁原子总数} = 2 \times 2 = 4 \text{ 个}

计算题

第5题　【相对分子质量与原子个数综合计算】

碳酸钙是石灰石的主要成分，化学式为 $\text{CaCO}_3$ ，已知各元素的相对原子质量：Ca为40，C为12，O为16。

（1）指出 $\text{CaCO}_3$ 中各元素的原子个数。

（2）计算 $\text{CaCO}_3$ 的相对分子质量。

（3）在 $\text{CaCO}_3$ 中，钙元素、碳元素、氧元素的质量比是多少？

（1） $\text{CaCO}_3$ 中各元素的原子个数：

Ca（钙）：1个；C（碳）：1个；O（氧）：3个

（2） $\text{CaCO}_3$ 的相对分子质量：

M(\text{CaCO}_3) = 1 \times 40 + 1 \times 12 + 3 \times 16 = 40 + 12 + 48 = 100

第6题　【根据化学式解读物质信息】

葡萄糖是人体能量的重要来源，化学式为 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ ，已知：C的相对原子质量为12，H为1，O为16。

（1）一个葡萄糖分子共含多少个原子？

（2）计算葡萄糖的相对分子质量。

（3）在 $3\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ 中，碳原子、氢原子、氧原子各有多少个？

（1）一个葡萄糖分子中原子总数：

6 + 12 + 6 = 24 \text{ 个}

（2）葡萄糖的相对分子质量：

M(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6) = 6 \times 12 + 12 \times 1 + 6 \times 16 = 72 + 12 + 96 = 180

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