MCAT的分子和化学计量学:你需要知道的一切
/学习MCAT有关分子和化学计量学的关键概念，并练习问题和答案
(注:本指南是我们的一部分称MCAT普通化学系列)。
表的内容
第1部分:分子和化学计量学的介绍
第2部分:摩尔
a)摩尔的定义
b)分子质量
第3部分:分子的形成
a)分子式表示
b)化学反应类型:
第4部分:化学计量学
一)平衡方程
b)确定理论产率
第五部分:高收益条款
第6部分:基于短文的问题和答案
第7部分:独立的问题和答案
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第1部分:分子和化学计量学的介绍
分子很难被概念化，因为它们不容易被看见。例如，你可以看到每一粒食盐，但你无法想象一个盐分子:盐分子是可以被识别的最小的盐单位。即使这样，盐分子也可以进一步分解成钠原子和氯原子等原子。
化学计量学允许我们通过使用以摩尔为单位的转换因子来量化和理解这些量。在化学中，我们经常依靠化学计量来联系反应物和生成物的数量。因此，化学计量学使我们能够根据守恒定律来配平化学方程。
理解化学方程式和化学计量是进行化学相关计算的关键。虽然这些计算可能很棘手，但在正式的MCAT期间使用草稿纸和元素周期表是允许的。
在本指南中，有几个重要的术语在大胆。在本指南的最后，还有一些aamc风格的练习题供你测试自己的知识。
让我们从摩尔开始。
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第2部分:摩尔
a)摩尔的定义
我们如何量化反应物和生成物?一种物质的数量可以用质量、粒子数或其他单位来定义。
计算反应物或生成物数量内的粒子数可能是困难的。这是因为粒子非常小，可能是原子或分子。有关原子结构的复习，一定要参阅我们的原子和核物理指南.）相反，用摩尔(mol)来定义这些量。
摩尔也可以用气态物质来定义。在标准温度和压力下(STP)， 1mol气态化合物占有22.4 L的空间。在化学、标准温度和压力参考如下:温度273.15 K，绝对压力100kpa(等于1bar)。
b)摩尔质量
的原子或分子质量是用来将物质的摩尔数转换为质量的。由于这个原因，它也被称为摩尔质量或分子量。
测定原子元素的摩尔质量是相对简单的。对于单原子元素来说，元素的摩尔质量就是原子质量。原子质量可以在元素周期表上元素符号的正下方找到。例如，钠(钠)的原子质量为22.99 AMU。因此，我们可以用这个数把已知钠的质量转化为样品中的摩尔数。
让我们以氧为例。氧的原子质量是15.999，大约16 AMU。然而，氧在其自然状态下是以双原子分子(O2)．因此，要确定它的摩尔质量，我们必须把这个量乘以分子中存在的原子的数量。
注意这里有两个钠原子。钠的原子质量为22.99 AMU。用于解释钠的质量:2x22.99=45.98。
注意这里只有一个硫原子。硫的原子质量为32.07 AMU。计算由硫贡献的质量:1x32.07=32.07。
注意这里有四个氧原子。氧的相对原子质量是16.00 AMU。解释氧气贡献的质量:4x16.00=64.00
因此，化合物的总分子质量为:
45.98 + 32.07 + 64.00 = 142.05 g/mol
使用阿伏伽德罗数和物质的摩尔质量，我们可以计算出物质的质量，单位是克、摩尔或粒子的数量。
这个信息也可以用来计算物质的密度，因为样品的密度等于它的质量除以它所占的体积。换句话说,
ρ= m / V
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第3部分:分子的形成
a)分子式表示
分子式可以用路易斯结构、结构式和实验式来表示。
路易斯结构是对原子和原子之间形成的键的视觉描述。(要了解更多，一定要参考我们关于化学键和相互作用的指南.）路易斯结构始于原子的一个基本符号。元素周围的圆点描绘价电子。元素周围的每一面最多有两个点来表示电子对，但在电子对形成之前，元素的每一面都必须有一个点来表示原子的成键能力。
结构的公式描述了化合物中的原子是如何相互结合的。这些是常见的分子“图解”。原子之间的直线表示化学键。利用结构式，我们可以预测分子的整体形状。
结构公式包括单键、双键和三键。每个键都是用一条实线画出来的。
为了推导出甘油醛的实验式，必须确定碳、氢和氧的最低比例。有3个碳原子，6个氢原子和3个氧原子。这些数的最大公因数是3。因此，3:6:3的最低比例是1:2:1。甘油醛的实验式是CH2O。
b)化学反应的类型
分子是如何形成和重新排列的?一般来说，有五种不同类型的化学反应:合成反应、单置换反应、双置换反应、分解反应和燃烧反应。
一个单一的置换反应例如，钾与水反应，生成氢氧化钾和氢气:2K + 2H2O→koh + h2．这里，H中的氢原子2O被钾取代形成KOH。
一个双置换反应当两种化合物的阴离子或阳离子发生交换，从而形成新的化合物:AB + CD→AD + CB。例如，当氯化钠与氟化银反应时，氟化钠和氯化银形成。氯离子和氟离子“交换”位置，形成两种新产物。NaCl + AgF→NaF + AgCl。
一个分解反应AB→a + b。例如，氯化钠可以分解成钠和氯。2NaCl→2Na + Cl2．
最后,一个燃烧反应发生在可燃反应物和氧之间。燃烧产生热量，同时产生二氧化碳和水完全燃烧。在不完全燃烧,或者在氧气不足的情况下发生燃烧，就会形成一氧化碳和其他碳化合物——我们称之为灰的物质。
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一)平衡方程
让我们开始把这些概念联系在一起。回想一下,化学计量学确保化学方程式是平衡的。一般来说，化学方程列出了所有反应物在左边产品在右边。箭头将两者分开，表示发生了反应。
在写方程时，确保它们是正确的是很重要的平衡,也就是说，反应物和生成物两边的每一种原子的数量都是相同的。此外，我们还可以看到电荷守恒也是成立的。我们通过改变相关化合物的系数来做到这一点。
首先，我们需要考虑每个元素有多少原子。反应物这边有一个钠原子和两个氯原子。在生成物这一边，有一个钠原子和一个氯原子组成了氯化钠。反应物这边有两个氯原子，生成物那边只有一个氯原子。为了保证质量，我们必须使化学方程式平衡，使每一种元素的原子数量在反应前后相等。
化学方程式可以通过调整来平衡化学计量系数，它描述了反应物和生成物相对于彼此的数量。系数以标准字体大小排列在元素符号的前面。
在这个例子中，每个反应物和生成物前面的化学计量系数必须调整以使方程平衡。这可以通过在Na和NaCl前面放置一个等于2的系数来实现。
这些化学计量系数提供了什么信息?他们提供的摩尔比,或者消耗反应物和生成物的量之间的关系。换句话说，如果1mol氯气(Cl2)被完全消耗，我们可以预期反应生成两摩尔盐(NaCl)。这是因为反应物和生成物的摩尔比是1:2。
注意不要混淆系数和下标。下标，元素符号后降低的数字，表示各自的分子中有多少原子。因此，分子中原子的总数可以用系数乘以下标来确定。例如，如果有2个氯分子如系数所示，还有2个固有原子如下标所示，那么在特定的化学方程中，这个分子有4个原子。
b)确定理论产率
在现实生活中，我们的反应物或产物是有限制的。一旦限制反应物当一个反应被完全消耗时，反应就会停止。我们如何确定什么时候会发生，哪个反应物是极限反应物?
化学计量学在这一过程中起着重要作用。当提供一个平衡的化学反应和每一个反应物的量(以克或摩尔为单位)，我们就有足够的信息来解出极限反应物。要做到这一点,
首先假设其中一个反应物是极限反应物。
然后，确定会形成的产物的数量。一定要用平衡的化学方程式，然后考虑摩尔比率．
对每个反应物重复步骤1-2。
产生最低量的假设产物的反应物是极限反应物。
就这么简单!让我们看一个例子。
因为这个反应我们已经写了配平的方程，我们可以用前面写的方程。
如果钠是限制反应物，则会生成0.331摩尔的NaCl。如果氯是极限反应物，我们会得到0.119摩尔NaCl。所以氯是我们的极限反应物因为假设氯是极限反应物生成的产物更少。在这个反应中，只会生成0.119摩尔的NaCl。
值得注意的是，这些计算只是理论上的。我们计算的0.119摩尔NaCl的值是a理论产量。然而，实际上实验产生与理论产量不同。由于不理想的条件，实验过程的浪费，以及小于100%的反应性，实验产率往往低于理论产率。因此，效率或百分比收益率,一个反应是有用的考虑。
产量百分比越高，生产的产品越多。
一个计算质量百分比表示产品中有多少由感兴趣的元素构成。
让我们计算水中氢和氧的质量百分比。
因此，氢在水中的质量百分比是11.12%。对于每一个水分子，11.12%是由氢组成的。此外，水中氧的质量百分率为88.88%。
关于作者
Vikram肖是Shemmassian学术咨询公司辅导服务的负责人。金宝搏官网他取得了完美的MCAT成绩(528分)，并带来了多年的专业辅导经验，帮助我们的学生最大限度地提高他们的考试成绩。
确认:Doyoung宋
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第五部分:高收益条款
阿伏伽德罗常数(N一个）:量化一摩尔的粒子数，其中N一个= 6.022 x 1023
标准温度和压力(STP):温度273.15 K，绝对压力100kpa(等于1bar)。
摩尔/原子/分子质量:用于将物质的摩尔数转换为质量的克数
路易斯结构:原子和原子之间形成的键的视觉描述
结构的公式:预测分子形状的插图
经验公式:表示化合物各元素间最低整数比的书面公式
合成反应:当两个或两个以上的反应物聚合形成单一的产物时发生:a + B→AB
单一的置换反应:当一个元素替换一个化合物的元素时发生:a + BC→AC + B
双置换反应:当两种化合物的阴离子或阳离子交换时发生，从而形成新的化合物:AB + CD→AD + CB
分解反应:当单个产物分解成两个或两个以上的组分反应物AB→a + B时发生
完全燃烧:由碳氢化合物和氧气产生二氧化碳和水
不完全燃烧:由碳氢化合物和氧气产生灰、一氧化碳、二氧化碳和水
化学计量系数:表示反应物和生成物的相对数量
摩尔比:反应物用量与产物用量之间的数值关系
下标:元素符号后表示该分子中原子数量的降低数
限制反应物:在化学反应中首先被完全消耗的反应物
百分比收益率:(实验产量÷理论产量)× 100
质量百分比:(元素质量÷化合物质量)× 100
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第6部分:基于短文的问题和答案
成年参与者被分配到两个实验组:安慰剂组或咖啡因刺激组。两组都被剥夺了50个小时的睡眠。咖啡因刺激组被要求每两小时吃四粒含咖啡因的口香糖。每个口香糖丸含有200毫克咖啡因。认知任务管理时间表如图1所示。
咖啡因的摩尔质量是194.194克/摩尔。二氯甲烷的摩尔质量是84.93克每摩尔。
创作者和归因方:艾德曼，e，巴林，m，约翰逊，k.等。咖啡因可能会破坏实时困倦对认知表现的影响:一项双盲、安慰剂控制的小样本研究。Sci rep 11,4027(2021)。文章的全文在这里:https://www.nature.com/articles/s41598-021-83504-6。这篇文章的版权不归希马森学术咨询公司所有。金宝搏官网免责声明:本文内容不属于金宝搏官网希马西学术咨询公司所有。Creative common license: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。对原文章进行了更改，以创建一个mct风格的段落。
问题1:下列哪项正确地提供了咖啡因的经验公式和分子式?
一)经验:C8H10N4O2；分子:C8H10N4O2
B)经验:C4H5N2O;分子:C8H10N4O2
C)经验:C8H10N4O2；分子:C4H5N2O
D)经验:CHNO;分子:C4H5N2O
A) 0.65 g CH2Cl2
B) 7.2 g CH2Cl2
C) 0.11 g CH2Cl2
D) 3.42 g CH2Cl2
问题3:一个胶团溶解在100克二氯甲烷中，产生0.0005摩尔完全溶解的产物。解离反应的产率是多少?
) 25%
B) 0.05%
C) 50%
D) 100%
问题4:一种未知量的咖啡因完全溶解在二氯甲烷中。这个反应需要60克二氯甲烷。假设100%的产量，最初的咖啡因量是多少?
A) 15 g8H10N4O2
故选B8H10N4O2
C) 40 g8H10N4O2
D) 0.4 * 10－5C8H10N4O2
回答基于短文的问题
1.选项B是正确的。如文中所述，咖啡因的分子式是C8H10N4O2．经验公式根据分子式使用最低的下标比率(选项A和C是错误的)。8:10:4:2的最小可能比率是4:5:2:1，因为8、10、4、2的最大公因数是2(选项B是正确的)。分子式描述了化合物的实际组成(选项C和D是错误的)。
2.答案A是正确的。首先，将口香糖中咖啡因的克数转换为摩尔数:0.5克C8H10N4O2* (1 mol C8H10N4O2/ 194.194 g) = 0.0025摩尔咖啡因。众所周知，二氯甲烷和咖啡因的化学计量比是3:1。因此，这个量的咖啡因会与0.0025 × 3 = 0.0075摩尔的二氯甲烷反应。
这个二氯甲烷的量可以用二氯甲烷的摩尔质量0.0075 mol CH换算成克2Cl2* (84.93 g / 1 mol CH2Cl2) = 0.65克。
请注意，虽然MCAT不允许使用计算器，但咖啡因和二氯甲烷的摩尔质量可以分别近似为200克/mol和100克/mol。这些近似结果得出的最终答案是0.75克，这足以确定正确的答案选项。
3.选项C是正确的。为了确定产率，我们必须先确定溶剂化反应的极限反应物。首先，假设咖啡因是限制性反应物。一个小丸子含有200毫克或0.2克咖啡因。这等于0.2÷194.14≈0.2÷200 = 0.001摩尔咖啡因。这个量会产生0.001摩尔的溶解产物。第二，假设二氯甲烷是极限反应物。100g二氯甲烷等于100÷84.93≈100÷100 = 1mol二氯甲烷。这个量会产生1mol的溶解产物。由于假设咖啡因是限制试剂计算的理论产率更小，我们会假设这是理论产率。百分率的计算方法是:实验产率(0.0005摩尔)除以理论产率(0.001摩尔)。 Thus, the percent yield of this reaction is 50%. (choice C is correct).
4.选项C是正确的。所提供的二氯甲烷的量可以转化为:60g x (1mol / 100g) = 0.6 mol。二氯甲烷和咖啡因的摩尔比是3:1;因此，原始反应中存在0.6÷3=0.2摩尔咖啡因。这个量的咖啡因可以换算成克:0.2 mol x (200 g/mol) = 40克(选项C是正确的)。
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第7部分:独立的问题和答案
A) 2 x 1023
B) 1.5 x 1015
C) 12 x 1023
答案:D23
A)水不是这种化学反应的产物
B) 12.00 g2O
C) 0.57 g H2O
D) 4.9034 g2O
问题3:二氧化碳与水反应生成葡萄糖和氧气。这个反应的化学计量系数是多少?
A) 1,1,1,1
B) 6,6,6
C) 6,6,1,6
D) 1、2、6、1
问题4:氯化钠与氟化银反应形成固体沉淀物。发生了什么类型的反应?
一)单独更换
B)双替换
C)合成
D)歧化
回答关键的独立问题
1.选项C是正确的。提供的200g样品相当于:200x (1mol / 300g) =⅔摩尔的磷酸钙。每摩尔磷酸钙含有3摩尔钙原子;这个信息是由化学符号Ca后面的下标3提供的。因此，样品包含⅔x3 = 2摩尔的钙。这可以通过阿伏伽德罗数(2 x 6.022 x 10)转换成原子的数量23= 12 x 1023(选项C是正确的)。
2.选项D是正确的。完全燃烧反应产生水和二氧化碳。平衡反应如下:1C3.H8+ 5啊2→3公司2+ 4 h2因此，该反应的量纲分析如下:3.00 g C3.H8* (1 mol C3.H8/44.1 g) * (4mol H2O / C 1摩尔3.H8) (18.02 g H2O / 1摩尔H2O) = 4.9034 g H2O(选项D是正确的)注意，尽管在MCAT中不允许使用计算器，但丙烷的摩尔质量可以近似为50克/mol，水的摩尔质量可以近似为20克/mol。使用这些近似值会得到一个4.8克水的答案，这足以选择正确的选项。
3.选项C是正确的。首先，根据所提供的反应物和产物:CO，写一个化学方程式2+ H2O C→6H12O6+ O2．然后，平衡化学方程式，确保每一种元素的原子数量在两边相等。结果如下:6CO2+ 6 h2O C→6H12O6+ 6 o2．每个产品或反应物前面的数字提供了化学计量系数:6,6,1,6(选项A和D是不正确的)。化学计量系数通常减少到最小公倍数(选项B是错误的)。
4.选项B是正确的。正确的反应为:AgF + NaCl→AgCl + NaF。其中一种产物，AgCl，形成一种不溶性化合物，从反应中析出。(有关沉淀的更多信息，请参阅我们的解决方案和气体指南。在这个反应中，两个阳离子交换了位置(选项A和C是错误的)。因此，这是一个双置换反应(选项B是正确的)。歧化反应是氧化还原反应的一种类型——有关这方面的更多信息，请务必参阅我们的氧化和还原反应指南(选项D是不正确的)。