用Latex 写化学方程式

这篇文章主要介绍$\text{Latex}$中的 `mchm` 宏包和 `chemfig` 宏包，其中较多是 `chemfig` 宏包书写较复杂的有机化学结构式。 `mchm` 宏包和 `chemfig` 宏包都已经可以在 `Tex Live` 中直接使用，如果您没有本地的 `Tex` 编译器，可以前往[Overleaf](https://www.overleaf.com/)使用在线编译器（需要注册，且免费版编译时间不能超过一分钟）。 `chemfig`宏包还有更多进阶的内容。~~我大概在暑假会将`chemfig`宏包说明书翻译完毕并写一篇中文说明书发布在这个博客。~~ update：不会了，我找到了翻译完成的中文说明书https://chemfig.man.huzheyang.cn # Part 1 $\text{mchm}$宏包 `mchm` 宏包用来书写不涉及有机化学的化学式。使用这个宏包，需要使用指令`\ce{}`。在大括号内有以下几个特性。 1.数字下标将不再需要 `_{}` 来表示，可以直接书写，如 `H2SO4` 表现为$\text{H}_2\text{SO}_4$。 2.`+` 和 `-` 如果没有两边没有空格，则表现为上下标，如 `H+` 显示为$\text{H}^+$，`H+ + OH-` 显示为$\text{H}^+ + \text{OH}^-$。 3.水合物的书写可以直接用 `*` ，如 `KCr(SO4)2 * 12H2O` 显示为$\text{KCr(SO}_4{)_2} · \text{12H}_2\text{O}$。 4.拥有可以标注反应条件的箭头，`-> <-> <=>` 显示为  此外还有 `<=>> <<=>` 等箭头。 如果想要标注反应条件，则在箭头后加 `T[][]` ，如 `->T[催化剂][\Delta] <=>T[\Delta]` 显示为  5.单键，双键和三键可以直接用 `- = #` 代替，如 `CH3-CH=CH-C#CH` 显示为  6.如果$\text{v}$和$\text{ \^ }$ 旁边有空格，会显示成向下的箭头（沉淀）和向上的箭头（气体），如 `Ca(NO3)2 + Na2CO3 -> CaCO3 v + 2NaNO3` 和 `2HCl + Na2CO3 -> H2O + CO2 ^ + 2NaCl` 显示为  以下是一个被引用很多次的例子（有稍作修改） ``` \documentclass{article} \usepackage[UTF8]{ctex} % 中文宏包 \usepackage{mhchem} %化学式宏包 \begin{document} \ce{2H2 + O2 ->T[点燃] 2H2O} \ce{N2 + 3H2 <=>[高温、加压][催化剂] 2NH3} \ce{^{227}_{90}Th+} \ce{KCr(SO4)2 * 12H2O} \ce{C6H5-CHO} \ce{X=Y#Z} \ce{SO4^2- + Ba^2+ -> BaSO4 v} \end{document} ``` 它显示为：  有了以上内容，已经可以较方便地书写无机化学中的大部分化学式了。而 `chemfig` 宏包，即有机化学，才是这篇文章的重头戏。 # Part 2 $\text{chemfig} $宏包 - 注：该部分内容需要高中有机化学内容，即必修二和小部分选修五的支持。 `chemfig` 宏包用于书写有机化学中的结构式等，键线式和结构式等都需要 `chemfig` 来书写。 `\chemfig{}` 用于书写单个有机物结构式，如果要将有机化合物写入方程式，可以将 `\chemfig{}` 嵌套入 `\ce{}` 里面。 注意：在`chemfig`中，三键改为用 `~` 而不是用 `#` 来表示。 `\chemfig{}` 有如下几个作用： 1.在 `\chemfig{}` 中，为防止产生歧义，数字下标不再能直接写出，如$\text{CH}_4$必须写为 `CH_4` ，$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$必须写为 `C_6H_{12}O_6` 。 2.在 `\chemfig{}` 中，化学键会被拉长，且碳碳三键改为用 `~` 表示，如 `\chemfig{CH_3-CH=CH-C~CH}` 显示为：  缩短化学键的指令稍后再提。 3.可以用 `*n(---)` 表示一个环，n为环的边（或点）个数，括号内为环的化学键。如苯环的凯库勒式可以写作 `*6(-=-=-=)` 或 `*6(=-=-=-)` 显示为：  这个苯环有点太大，关于缩小苯环和改变方向，也是过会再提。 苯环的另一种常见画法是内部带有圆圈的正六边形（鲍林式）。 我们用 `\text{**6(------)}` 表示，显示为：  表示六元环时，括号内第一个符号表示左下角的键，逆时针旋转编号，最后一个为最左边的键。如 `*6(=-----) *6(-=----) *6(-----=)` 分别显示为：  如果括号内的键数量达不到括号外的数字，则会从最后一个开始缺失，如果超过括号外的数字，则不会显示多余的键，如 `*6(------=) *6(=----)` 分别显示为：  单个环中，如果没有定义方向，那么最左边必定是一条垂直的键，且由括号内最后一个符号表示它，括号内第一个符号表示它的下一个键，如 `*3(--=) *4(---=) *5(----=)` 分别显示为：  4.定义方向和键长，在键后用 `[x,y]` 描述。x表示方向，y表示键长，方向由 `0` 到 `7` 编号。如 `0` 指向向右， `1` 指向右上， `2` 指向正上：  使用例： ``` \text{酮与氰化氢加成：}\ce{\chemfig{CH_3C(=[1]O)(-[7]CH_3)} + \chemfig{CN(-[2]H)} ->T[催化剂] \chemfig{CH_3(-[0]C(-[2]OH)(-[0]CN)(-[6]CH3))}} ``` 显示为：  你也可以自定义角度，改为 `:x` ，如 `CH_3C(=[:30]O)(-[:330]CH_3)` 显示为：  如果不定义角度，系统会按照键的起点所连接的键数量取一个系统认为美观的角度，这个很不靠谱。除非你绘制的分子式全在一条线内，不建议不定义角度。 我们发现以上的化学键显得有些太长，我们可以用 ` [,y] ` 来定义键长，不定义键长时长度默认为1，这个y一般取 `0.7` 正好，根据你的需要定义键长。 使用例： ``` \text{酮与氰化氢加成：}\ce{\chemfig{CH_3C(=[1,0.7]O)(-[7,0.7]CH_3)} + \chemfig{CN(-[2,0.7]H)} ->T[催化剂] \chemfig{CH_3(-[0,0.7]C(-[2,0.7]OH)(-[0,0.7]CN)(-[6,0.7]CH3))}} ``` 显示为：  如果你只想定义键长，不定义角度，可以写为 `[,y]` 。 用这个办法也可以定义环的键长和方向，我们发现上面的苯环太大了，可以改为 `[,0.7]*6(-=-=-=)` ，也可以定义方向 `[:30,0.7]*6(-=-=-=)` 分别显示为：  由上面酮与氰化氢加成的例子，也能看到少许绘制完整结构式的方法。通过以上几个点，我们还是不能绘制较复杂的结构式，接下来我们将以上几个点拼凑起来，绘制完整的分子结构式。 # Part 3 嵌套，并列与键线式 将以上内容结合起来，我们要绘制更加复杂的有机结构式。 1.嵌套 如果绘制不断改变方向的键链，需要用到嵌套。`A(-[x,y]B)` 绘制了一个条从$\text{A}$连向$\text{B}$的单键，B可以继续嵌套下去。如 `A(-[x1,y1]B(-[x2,y2]C))` 绘制了一条从$\text{A}$连向$\text{B}$再连向$\text{C}$的碳链。 还有一种嵌套是环中嵌套环来绘制稠环化合物，稠环化合物在高中阶段涉及不多。但仍然稍作介绍。 嵌套环可以直接在括号内嵌套，给出一个例子： ``` \text{萘：}\ce{\chemfig{[,0.7]*6(-=(*6(-=-=--))-=-=)}} \text{蒽：}\ce{\chemfig{[,0.7]*6(-=(*6(-=(*6(-=-=--))-=--))-=-=)}} \text{菲：}\ce{\chemfig{[,0.7]*6(-=(*6(-(*6(-=-=--))=-=--))-=-=)}} ``` 显示为：  2.并列 如果一个碳连着多个基团，需要用到并列。如 `A(-[x1,y1]B)(-[x2,y2]C)` 绘制了$\text{A}$上同时连接了$\text{B}$和$\text{C}$基团。 3.键线式 键线式在以上的基础上，不添加元素名称即可，如果添加会自动在那个位置上加入元素。给出两个例子 ``` \text{褪黑素：}\chemfig{[,0.7]*6(-=(*5(-N(-H)-=(-[:30]CH_2CH_2NHCOCH_3)--))-=-(-H_3CO)=)} \text{键线式：}\chemfig{[,0.7]*6(-=(*5(-[0.7]N(-H)-=(-[:30,0.7](-[:330,0.7](-[:30,0.7]N(-[2,0.7]H)(-[:330,0.7](=[6,0.7]O)(-[:30,0.7])))))--))-=-(-[,0.7]O(-[1,0.7]))=)} ```  ``` \text{香叶醇：}\chemfig{(-[6](-[5](-[6](-[7](=[6](-[5])(-[7])))))(=[7](-[1](-[7]OH))))} ```  这样的显示方式，双键与单键相连方式与习惯方式不符，我们可以稍作修改，将代码改为 ``` \chemfig{(-[6,](-[5,](-[6,](-[7,](=^[6,](-[5,])(-[7,])))))(=^[7,](-[1,](-[7,]OH))))} ```  注意到，此时单键连向双键的其中一条横向而不是连向两条横线中间了。 # Part 4 杂项 这个part可能会不断更新，且大部分内容高中化学无需用到。 ### 两个键的链接 比如异丙基苯，苯环上的一个碳原子连着异丙基，若将异丙基简写为$\text{CH}_3\text{CHCH}_3$，而键又连着中间的碳，如果直接按以上方法绘制，会将键连至第一个碳。 这个时候可以指定键的起点（或终点）`\chemfig{[,0.7]*6(-=-=(-[2,0.7,,3]CH_3CHCH_3)-=)}`，表示终点为异丙基的第三个原子，即中间的$\text{C}$  如果不采用指定终点，则显示为  在刚刚没有用到的两个逗号之间，表示的是起点，如4-异丙基~~庚~~辛烷，写作 `\chemfig{CH_3CH_2CH_2CHCH_2CH_2CH_2CH_3(-[2,0.7,7,3]CH_3CHCH_3)}`  这就是指定起点与终点的键的画法了。 ### 键的拓展 除了常见的单键，双键和三键，存在一些其他的键，如楔形式中的键，`chemfig` 都提供了方法。  楔形式可以定义三角形的形状。 `\chemfig[cram width=10pt,cram dash width=0.4pt,cram dash sep=1pt]{A>B>:C>|D}` 中括号内四个参数分别表示起始宽度，线宽度，每几个宽度画一条线（虚楔形用） ``` \chemfig[cram width=10pt,cram dash width=0.4pt,cram dash sep=1pt]{A>B>:C>|D} \chemfig[cram width=15pt,cram dash width=2pt,cram dash sep=2pt]{A>B>:C>|D} ```  这种定义方式是定义整个分子所有的键，定义分子所有键的命令还有： `bond offset=`表示键的端点与字母之间的距离，如 ``` \chemfig[bond offset=0pt]{A-B} \chemfig{A-B} \chemfig[bond offset=5pt]{A-B} ``` 显示为  默认bond offset为2pt。可以自定义默认间隔，之后的默认间隔就是你定义的值，也可以定义单个键的间隔，方式如下： ``` \setchemfig{bond offset=4pt} \chemfig{A-B-C}\par \chemfig{A-#(,0pt)B-C}\par \chemfig{A-B-#(0pt)C}\par \chemfig{A-#(,0pt)B-#(0pt)C} ``` 这里定义了默认间隔为4pt，用小括号中间一个逗号表示一个键起点和终点的间隔，下面看看效果：  也可以定义键长，不再需要在每个键前面表示键长 ``` \chemfig[atom sep=2em]{A-B}\par \chemfig[atom sep=50pt]{A-B} ``` 显示为：  也可以定义颜色，如`\chemfig[bond style={line width=1pt,red}]{A-B=C>|D<E>:F}`显示为  另外还有一种方法可以定义键线式的角度，表示为`::x` ，表示在上一个键的角度上加上`x`度作为新的角度。 `\chemfig{A-[:-5]-[::20]-[::20]B-[7]-[::20]C-[::20]}`显示为  ### 高分子聚合物 先看一个例子 ``` \chemfig{-[@{left,0.75}]CH_2-CH_2-[@{right,0.25}]} \polymerdelim[delimiters ={[]},height = 5pt]{left}{right} ```  高分子聚合物采用先画中间，再画括号（或者中括号）的画法。由于这种原因，括号常常无法准确放在键中间，所以有时用一个`\bigskip`放在代码前来优化排版。 可以看出，用一个$\text{@{x,括号在键的位置}}$来描述一个括号的位置和名字，第二行绘制括号时，表示了括号种类，高度（也可以用depth表示深度），最后用两个大括号表示加上的位置。 也有人用 `\vphantom` 来优化排版，如: ``` \chemfig{\vphantom{CH_2}-[@{op,.75}]CH_2-CH_2-[@{cl,0.25}]} \polymerdelim[delimiters ={[]},height = 5pt]{op}{cl} ``` 显示与上面相同，只是在整个pdf中显示会比较正常。 下面再看几个例子 ``` \chemfig{\vphantom{CH_2}-[@{op,0.5}]CH_2-CH(-[6]Cl)-[@{cl,0.5}]} \polymerdelim[delimiters ={[]},height = 5pt, depth = 25pt]{op}{cl} ```  下面的例子采用了 `h align=false` 来使得括号可以不在同一条水平线上 ``` \chemfig{-[@{op,.5}:-30]O-[::60](=[::60]O)-[::-60]*6(-=-(-(=[::-60]O)-[::60]O-[::-60]-[::60]-[@{cl,.5}::-60])=-=)} \polymerdelim[delimiters ={[]},height=30pt, h align=false]{op}{cl} ```  ### 更多符号 `\fulldisk ` 实心点，`\emptydisk` 空心点（例如绘制十氢化萘的顺反异构体需用到） # Part 5 花絮与致谢 以下给出一个完整的文档例子，绘制了高中有机化学基础常见的化学方程式，如果上面的内容没有完全讲明白一些细小的点，可以由例子中体会。 [代码](https://www.luogu.com.cn/paste/eh9kp86r) 这份代码太长了，在线编译会超时很久，在本机的texlive上也编译了两分钟之久。所以给各位编译后的一份pdf放在这里~ 链接：https://pan.baidu.com/s/1pI0axwIV8qI_UpeJl7_iRw 提取码：ele7 这篇说明的大部分内容都是自己和同学摸索出来的...~~因为网络上可以搜索到的中文资料少之又少，应该是比目前能搜索到的任何资料都更加详细。~~ update 搜索到了全文说明 见文章开头 感谢同学[@zcmimi](https://www.luogu.com.cn/user/36532)在技术方面的支持。 感谢同学[@henry_y](https://www.luogu.com.cn/user/36526)在学术方面的支持，他帮我查了上面那篇pdf的学术性错误。 感谢来自化学老师的学术性支持。 codesonic 初稿于2020年6月。