百分比组成与实验式:HSC 化学
学习如何计算百分比组成,并由质量与百分比数据推导实验式。内容包括完整范例、常见陷阱及附解答的练习题。
某化合物按质量计由 50.0% 的硫和 50.0% 的氧组成。因为百分比相同,你会预测它的化学式是 \(\ce{SO}\) 吗?
这个预测看似合理,但它混淆了质量和粒子数目。50.0 g 的硫所含原子数比 50.0 g 的氧少,因为硫原子较重。把每种元素的质量换算成莫耳数后,比例约为 1 mol 硫原子对 2 mol 氧原子。相等的质量可能掩盖不相等的粒子比例。
这正是本主题要解决的核心问题。百分比组成告诉你质量如何分配;实验式则告诉你原子的最简整数比。 莫耳就是连接两者的桥梁。
01从质量到粒子比例
想像有两个袋子,每个质量都是 1 kg。一个装保龄球,另一个装网球。两袋的质量相同,但球的数目显然不会相同。
元素的情况也类似。1 mol 碳原子和 1 mol 氧原子含有相同数目的原子,但它们的质量不同。因此,你不能直接用质量作为化学式中的下标。
这个类比有其局限。原子并不是在化合物中彼此分开、像微小的宏观球体一样存在。这里真正重要的只是计数概念:如果物体的质量不同,称量它们并不能直接告诉你有多少个。
化学家利用以下关系把质量换算成物质的量:
\[ n=\frac{m}{M} \]
其中:
- \(n\) 是物质的量,以莫耳(mol)为单位
- \(m\) 是质量,以克(g)为单位
- \(M\) 是莫耳质量,单位为克每莫耳(\(\mathrm{g\,mol^{-1}}\))
如果你对这个换算仍不太熟悉,在继续之前可先复习由质量和莫耳质量求莫耳数。几乎所有实验式计算都依赖这个步骤。
02由化学式计算百分比组成
假设你已经知道某化合物的化学式。百分比组成所问的是:
化合物总质量中,有多少百分比来自各种元素?
对于元素 \(X\):
\[ \% \text{ 元素 }X\text{ 的质量百分比} = \frac{\text{1 mol 化合物中由 }X\text{ 贡献的质量}} {\text{化合物的莫耳质量}} \times 100 \]
关键词是贡献的质量。如果某元素在化学式中出现多于一次,你必须把该元素的所有原子都计算在内。
例如,\(\ce{Mg(NO3)2}\) 含有:
- 1 个 Mg 原子
- 2 个 N 原子
- 6 个 O 原子
常见错误是看到氧旁边的 3,就只计算三个氧原子。括号外的 2 会乘上括号内的所有原子。
范例:硝酸镁的百分比组成
计算 \(\ce{Mg(NO3)2}\) 中镁、氮和氧的质量百分比。使用莫耳质量 Mg = \(24.31\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、N = \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
步骤 1:求整个化合物的莫耳质量。
1 mol \(\ce{Mg(NO3)2}\) 含有 1 mol Mg、2 mol N 和 6 mol O。
\[ \begin{aligned} M(\ce{Mg(NO3)2}) &=24.31+2(14.01)+6(16.00)\\ &=24.31+28.02+96.00\\ &=148.33\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
步骤 2:求镁所贡献的百分比。
\[ \%\,\ce{Mg} = \frac{24.31}{148.33}\times100 = 16.4\% \]
因此,化合物质量的 16.4% 来自镁。
步骤 3:对氮重复同样计算。
2 mol 氮原子对 1 mol 化合物贡献 \(28.02\) g。
\[ \%\,\ce{N} = \frac{28.02}{148.33}\times100 = 18.9\% \]
步骤 4:对氧重复同样计算。
6 mol 氧原子贡献 \(96.00\) g。
\[ \%\,\ce{O} = \frac{96.00}{148.33}\times100 = 64.7\% \]
步骤 5:检查总和。
\[ 16.4+18.9+64.7=100.0\% \]
因此,百分比组成约为按质量计 16.4% Mg、18.9% N 和 64.7% O。
如果你的百分比相加得到 99.9% 或 100.1% 之类的数值,通常只是四舍五入造成的。如果总和是 87%,那就代表某个步骤出了问题。
03反向计算:由组成求实验式
现在把问题反过来。
题目会给你质量或百分比,而你需要找出最简原子比。
实验式是化合物中各元素的最简整数比。例如,如果某化合物的碳:氢:氧比例是 \(1:2:1\),它的实验式就是 \(\ce{CH2O}\)。
核心概念是:
质量资料 -> 莫耳数 -> 莫耳比 -> 整数比

步骤 1:如有需要,把百分比转换成质量
如果题目给的是百分比,可以假设你正好有 100 g 的化合物。
那么:
- 37.0% 变成 37.0 g
- 12.5% 变成 12.5 g
- 50.5% 变成 50.5 g
这并不是说实验室中的样本实际质量就是 100 g。这只是数学上的便利做法。百分比的意思是「每一百份」,所以假设样本为 100 g,就能让每个百分比在数值上直接等于以克表示的质量。
如果题目已经给出实际质量,不要先把它们换算成百分比。直接使用那些质量即可。
步骤 2:把每个质量都转换成莫耳数
用每种元素的质量除以其莫耳质量。
这是最关键的一步。实验式描述的是粒子比例,因此必须把质量换算成粒子的物质的量。
步骤 3:把每个莫耳数都除以最小值
假设你的莫耳数是:
\[ 0.150,\quad 0.300,\quad 0.150 \]
把三个数都除以 \(0.150\):
\[ 1.00:2.00:1.00 \]
实验式的比例就是 \(1:2:1\)。
步骤 4:判断比例是否真的可化为整数
学生经常在这一步失分,即使前面的计算完全正确。
实验数据和原子质量很少会产生刚好等于 2.000000 这样的比例。你可能得到 \(1.00:1.99:1.01\)。这显然与 \(1:2:1\) 一致。
但假设你得到 \(1.00:1.50\)。不要把 1.50 四舍五入成 1 或 2。任何一种做法都无法保留原本的比例。
相反地,把比例中的每一项都乘以同一个小整数:
\[ 1.00:1.50 \]
两者都乘以 2:
\[ 2.00:3.00 \]
所以整数比是 \(2:3\)。
以下模式很有用:
| 你看到的比例 | 可采取的做法 | 范例结果 |
|---|---|---|
| 接近整数 | 谨慎地四舍五入 | \(1.00:1.99 \to 1:2\) |
| 含有约 0.50 的小数部分 | 所有比例乘以 2 | \(1:1.50 \to 2:3\) |
| 含有约 0.33 或 0.67 的小数部分 | 所有比例乘以 3 | \(1:1.33 \to 3:4\) |
| 含有约 0.25 或 0.75 的小数部分 | 所有比例乘以 4 | \(1:1.75 \to 4:7\) |
这是一项判断原则,并不表示你可以把凌乱的数据硬套成某个化学式。像 \(1.00:1.47\) 这样的比例,如果测量精度有限,合理地视为接近 \(1:1.5\) 可能是可以接受的。而像 \(1.00:1.82\) 则需要更仔细考虑。你不应自动选择碰巧最接近的整数。
04一个简单的实验式计算
范例:由测量质量求化学式
某化合物含有 2.402 g 碳、0.403 g 氢和 3.200 g 氧。求其实验式。使用 C = \(12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、H = \(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
步骤 1:把每个质量转换成莫耳数。
\[ \begin{aligned} n(\ce{C})&=\frac{2.402}{12.01}=0.2000\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{H})&=\frac{0.403}{1.008}=0.3998\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{3.200}{16.00}=0.2000\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
氢的数值并不恰好是 0.4000 mol,因为题目所给的质量经过了四舍五入。
步骤 2:把每个数值都除以最小值 \(0.2000\) mol。
\[ \ce{C}:\ce{H}:\ce{O} = 1.000:1.999:1.000 \]
步骤 3:辨认整数比。
这些数值非常接近:
\[ 1:2:1 \]
所以实验式是:
\[ \boxed{\ce{CH2O}} \]
这表示化合物中的碳、氢和氧原子最简比例为 \(1:2:1\)。但这还不能告诉我们该化合物的分子式。
05当比例不能立即化成整数时
最容易犯的错误,就是过度四舍五入。
想像某个交友应用程式不知怎地报告:A 组每有 1 个人,B 组就有 1.5 个人。显然,没有人会带著半个人去约会。但把 1.5 向下取成 1 会改变比例,向上取成 2 也同样会改变比例。
合理的做法是把整组比例一起放大:A 组每 2 个人,B 组就有 3 个人。
处理实验式比例时,你做的正是同一件事。这个类比的局限在于原子当然不会选餐厅订位,但比例放大的逻辑是相同的。
范例:含有 2.5 的比例
某氧化物按质量计含有 43.64% 磷和 56.36% 氧。求其实验式。使用 P = \(30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
步骤 1:假设样本质量为 100 g。
样本会含有:
- 43.64 g P
- 56.36 g O
步骤 2:把两个质量都转换成莫耳数。
\[ \begin{aligned} n(\ce{P})&=\frac{43.64}{30.97}=1.409\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{56.36}{16.00}=3.523\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
步骤 3:除以较小的数值 \(1.409\) mol。
\[ \ce{P}:\ce{O} = 1.000:2.500 \]
不要把 2.500 直接变成 3。
步骤 4:把整个比例乘以 2。
\[ 1.000:2.500 \quad\longrightarrow\quad 2.000:5.000 \]
因此,实验式是:
\[ \boxed{\ce{P2O5}} \]
这个结果表示最简比例是每两个磷原子对五个氧原子。单凭实验式本身,不能证明一个独立分子中恰好含有两个磷原子和五个氧原子。
06最值得主动避免的三种错误
错误 1:把百分比直接当成下标
假设某物质含有 40% 元素 A 和 60% 元素 B。
这不代表它的实验式具有 \(40:60\) 或 \(2:3\) 的原子比。这些是质量百分比。
你必须先把每种元素的质量除以相应的莫耳质量。
错误 2:在得到完整比例之前就四舍五入
计算莫耳数和比例相除时,要保留数个有效数字。
例如:
\[ 1.00:1.49 \]
比过早写成:
\[ 1:1 \]
有用得多。1.49 是很明显的线索,表示预期比例可能是 \(1:1.5\),而它可转换成 \(2:3\)。
错误 3:把实验式和分子式视为同一回事
实验式只是最简整数比。
例如:
\[ \ce{CH2O},\qquad \ce{C2H4O2},\qquad \ce{C6H12O6} \]
都具有相同的最简碳:氢:氧比例 \(1:2:1\)。
因此,百分比组成可以确定实验比例,但不能唯一确定物质本身。
07当有一个百分比未给出时
有时题目会给出部分元素的百分比,并要求你用相减的方法求出其余部分。
如果已知某化合物只含有碳、氢和氧,而且其组成为:
- 52.0% 碳
- 13.0% 氢
那么氧必须占:
\[ 100.0-52.0-13.0=35.0\% \]
但要注意其中隐含的假设:化合物必须只含这三种元素。
如果氮、硫或其他元素也可能存在,就不能直接把缺少的百分比视为氧。算术上虽然可行,但化学上没有充分依据。
08问题与解答
问题 1
计算 \(\ce{CaCl2}\) 中钙和氯的质量百分比。使用 Ca = \(40.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、Cl = \(35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 1
其组成为按质量计 36.1% 钙和 63.9% 氯。
先求莫耳质量:
\[ \begin{aligned} M(\ce{CaCl2}) &=40.08+2(35.45)\\ &=110.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
现在计算各自的质量百分比:
\[ \begin{aligned} \%\,\ce{Ca} &=\frac{40.08}{110.98}\times100\\ &=36.1\%\\ \%\,\ce{Cl} &=\frac{70.90}{110.98}\times100\\ &=63.9\% \end{aligned} \]
两个百分比相加为 100.0%,这是一项很有用的检查。
重点是,在每 1 mol \(\ce{CaCl2}\) 中,氯贡献 \(2(35.45)=70.90\) g,因为在化学式比例中,每一个钙离子对应两个氯离子。
问题 2
某化合物按质量计含有 50.0% 硫和 50.0% 氧。求其实验式。使用 S = \(32.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 2
实验式是 \(\ce{SO2}\),不是 \(\ce{SO}\)。
假设样本为 100 g。它含有 50.0 g S 和 50.0 g O。
把这些质量转换成莫耳数:
\[ \begin{aligned} n(\ce{S})&=\frac{50.0}{32.06}=1.560\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{50.0}{16.00}=3.125\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
两者都除以较小的数值:
\[ \ce{S}:\ce{O} = \frac{1.560}{1.560}:\frac{3.125}{1.560} = 1.000:2.003 \]
这实际上等同于:
\[ 1:2 \]
所以实验式是:
\[ \boxed{\ce{SO2}} \]
陷阱在于假设相等的质量百分比代表相等的原子数。氧的莫耳质量低于硫,因此 50.0 g 氧所含的原子莫耳数约为 50.0 g 硫的两倍。
问题 3
某氮氧化物按质量计含有 36.9% 氮和 63.1% 氧。求其实验式。使用 N = \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 3
实验式是 \(\ce{N2O3}\)。
假设有 100 g 的化合物:
\[ m(\ce{N})=36.9\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{O})=63.1\ \mathrm{g} \]
转换成莫耳数:
\[ \begin{aligned} n(\ce{N})&=\frac{36.9}{14.01}=2.634\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{63.1}{16.00}=3.944\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
除以 \(2.634\) mol:
\[ \ce{N}:\ce{O} = 1.000:1.497 \]
氧的比例非常接近 1.5。直接把 1.497 四舍五入成 1 或 2,都会改变比例。
把两个数值都乘以 2:
\[ 2.000:2.994\approx2:3 \]
因此:
\[ \boxed{\ce{N2O3}} \]
关键判断是辨认出半整数比例,并把两个数值都乘以 2。
问题 4
对某化合物的分析显示,按质量计它含有 54.5% 碳和 9.1% 氢。已知该化合物只含有碳、氢和氧。
求其实验式。然后解释:如果不知道其中有哪些元素,为甚么同样的计算方法就没有充分依据?
使用 C = \(12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、H = \(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 4
实验式是 \(\ce{C2H4O}\),但这个结论依赖于我们已知碳、氢和氧是其中仅有的元素。
因为这三种元素必须合共占质量的 100%,所以氧的百分比为:
\[ 100.0-54.5-9.1=36.4\% \]
对于 100 g 的样本:
\[ m(\ce{C})=54.5\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{H})=9.1\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{O})=36.4\ \mathrm{g} \]
转换成莫耳数:
\[ \begin{aligned} n(\ce{C})&=\frac{54.5}{12.01}=4.538\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{H})&=\frac{9.1}{1.008}=9.028\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{36.4}{16.00}=2.275\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
把每个数值都除以 \(2.275\) mol:
\[ \ce{C}:\ce{H}:\ce{O} = 1.995:3.968:1.000 \]
这些数值与以下比例一致:
\[ 2:4:1 \]
所以实验式是:
\[ \boxed{\ce{C2H4O}} \]
如果不知道有哪些元素存在,那么相减这一步就没有充分依据。缺少的 36.4% 可能包含氮、硫或其他元素,而不一定全部都是氧。隐含的假设是化学上的,而不是数学上的。
问题 5
两种纯化合物都只含有碳、氢和氧。测得两者按质量计都是 40.0% 碳、6.7% 氢和 53.3% 氧。
化合物 A 的莫耳质量约为 \(60.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。化合物 B 的莫耳质量约为 \(180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
求它们的实验式。然后判断相同的百分比组成是否足以证明 A 和 B 是同一种化合物。如果可能,求出各自与所给莫耳质量一致的分子式。
使用 C = \(12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、H = \(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)、O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 5
两种化合物的实验式都是 \(\ce{CH2O}\),但它们不一定是同一种化合物。所给的莫耳质量分别与 A 的分子式 \(\ce{C2H4O2}\) 和 B 的分子式 \(\ce{C6H12O6}\) 一致。
先从 100 g 的样本开始:
\[ m(\ce{C})=40.0\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{H})=6.7\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{O})=53.3\ \mathrm{g} \]
转换成莫耳数:
\[ \begin{aligned} n(\ce{C})&=\frac{40.0}{12.01}=3.331\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{H})&=\frac{6.7}{1.008}=6.647\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{53.3}{16.00}=3.331\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
除以最小的数值:
\[ \ce{C}:\ce{H}:\ce{O} = 1.000:1.996:1.000 \approx 1:2:1 \]
所以两者的实验式都是:
\[ \boxed{\ce{CH2O}} \]
实验式质量为:
\[ 12.01+2(1.008)+16.00 = 30.026\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]
对化合物 A:
\[ \frac{60.0}{30.026}\approx2 \]
所以其分子式可以是两个实验式单位:
\[ (\ce{CH2O})_2=\boxed{\ce{C2H4O2}} \]
对化合物 B:
\[ \frac{180}{30.026}\approx6 \]
所以其分子式可以是:
\[ (\ce{CH2O})_6=\boxed{\ce{C6H12O6}} \]
陷阱在于假设相同的百分比组成能唯一确定一种化合物。百分比组成确定的是相对质量贡献,而这又决定了实验比例,但不同的分子式可以具有相同的这种比例。
09实验式接下来可以让你求出甚么
百分比组成能让你从测量所得的质量推导出最简粒子比例。你应能理解并重现以下步骤,而不是只背诵彼此分离的技巧:
\[ \text{质量或百分比} \rightarrow \text{莫耳数} \rightarrow \text{除以最小值} \rightarrow \text{整数比} \rightarrow \text{实验式} \]
接下来常见的问题是:这个最简比例是否就是化合物实际的分子式?
如果已知化合物的莫耳质量,就把它与实验式质量作比较。两者的比值会告诉你,一个分子式中包含多少个实验式单位:
\[ k= \frac{\text{化合物的莫耳质量}} {\text{实验式质量}} \]
其中 \(k\) 应接近一个正整数。接著,把实验式中的每一个下标都乘以 \(k\),即可得到分子式。
因此,重要的判断不只是「我算出了甚么化学式?」而是「题目要求的是最简比例,还是实际的分子式?」正是这项区别,让百分比组成不只是一项计算,而能成为判断化学组成的证据。