Как решать уравнения по химии в таблицах

Урок 13. Составление химических уравнений

В уроке 13 «Составление химических уравнений» из курса «Химия для чайников» рассмотрим для чего нужны химические уравнения; научимся уравнивать химические реакции, путем правильной расстановки коэффициентов. Данный урок потребует от вас знания химических основ из прошлых уроков. Обязательно прочитайте об элементном анализе, где подробно рассмотрены эмпирические формулы и анализ химических веществ.

Химическое уравнение

В результате реакции горения метана CH₄ в кислороде O₂ образуются диоксид углерода CO₂ и вода H₂O. Эта реакция может быть описана химическим уравнением:

Попробуем извлечь из химического уравнения больше сведений, чем просто указание продуктов и реагентов реакции. Химичекое уравнение (1) является НЕполным и потому не дает никаких сведений о том, сколько молекул O₂ расходуется в расчете на 1 молекулу CH₄ и сколько молекул CO₂ и H 2 O получается в результате. Но если записать перед соответствующими молекулярными формулами численные коэффициенты, которые укажут сколько молекул каждого сорта принимает участие в реакции, то мы получим полное химическое уравнение реакции.

Для того, чтобы завершить составление химического уравнения (1), нужно помнить одно простое правило: в левой и правой частях уравнения должно присутствовать одинаковое число атомов каждого сорта, поскольку в ходе химической реакции не возникает новых атомов и не происходит уничтожение имевшихся. Данное правило основывается на законе сохранения массы, который мы рассмотрели в начале главы.

Уравнивание химических реакций

Уравнивание химических реакций нужно для того, чтобы из простого химического уравнения получить полное. Итак, перейдем к непосредственному уравниванию реакции (1): еще раз взгляните на химическое уравнение, в точности на атомы и молекулы в правой и левой части. Нетрудно заметить, что в реакции участвуют атомы трех сортов: углерод C, водород H и кислород O. Давайте подсчитаем и сравним количество атомов каждого сорта в правой и левой части химического уравнения.

Начнем с углерода. В левой части один атом С входит в состав молекулы CH₄, а в правой части один атом С входит в состав CO₂. Таким образом в левой и в правой части количество атомов углерода совпадает, поэтому его мы оставляем в покое. Но для наглядности поставим коэффициент 1 перед молекулами с углеродом, хоть это и не обязательно:

Затем переходим к подсчету атомов водорода H. В левой части присутствуют 4 атома H (в количественном смысле H₄ = 4H) в составе молекулы CH₄, а в правой – всего 2 атома H в составе молекулы H₂O, что в два раза меньше чем в левой части химического уравнения (2). Будем уравнивать! Для этого поставим коэффициент 2 перед молекулой H₂O. Вот теперь у нас и в реагентах и в продуктах будет по 4 молекулы водорода H:

Обратите свое внимание, что коэффициент 2, который мы записали перед молекулой воды H₂O для уравнивания водорода H, увеличивает в 2 раза все атомы, входящие в ее состав, т.е 2H₂O означает 4H и 2O. Ладно, с этим вроде бы разобрались, осталось подсчитать и сравнить количество атомов кислорода O в химическом уравнении (3). Сразу бросается в глаза, что в левой части атомов O ровно в 2 раза меньше чем в правой. Теперь-то вы уже и сами умеете уравнивать химические уравнения, поэтому сразу запишу финальный результат:

Как видите, уравнивание химических реакций не такая уж и мудреная штука, и важна здесь не химия, а математика. Уравнение (4) называется полным уравнением химической реакции, потому что в нем соблюдается закон сохранения массы, т.е. число атомов каждого сорта, вступающих в реакцию, точно совпадает с числом атомов данного сорта по завершении реакции. В каждой части этого полного химического уравнения содержится по 1 атому углерода, по 4 атома водорода и по 4 атома кислорода. Однако стоит понимать пару важных моментов: химическая реакция — это сложная последовательность отдельных промежуточных стадий, и потому нельзя к примеру истолковывать уравнение (4) в том смысле, что 1 молекула метана должна одновременно столкнуться с 2 молекулами кислорода. Процессы происходящие при образовании продуктов реакции гораздо сложнее. Второй момент: полное уравнение реакции ничего не говорит нам о ее молекулярном механизме, т.е о последовательности событий, которые происходят на молекулярном уровне при ее протекании.

Коэффициенты в уравнениях химических реакций

Еще один наглядный пример того, как правильно расставить коэффициенты в уравнениях химических реакций: Тринитротолуол (ТНТ) C₇H₅N₃O₆ энергично соединяется с кислородом, образуя H₂O, CO₂ и N₂. Запишем уравнение реакции, которое будем уравнивать:

Проще составлять полное уравнение, исходя из двух молекул ТНТ, так как в левой части содержится нечетное число атомов водорода и азота, а в правой — четное:

• 2C₇H₅N₃O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O + N₂ (6)

Тогда ясно, что 14 атомов углерода, 10 атомов водорода и 6 атомов азота должны превратиться в 14 молекул диоксида углерода, 5 молекул воды и 3 молекулы азота:

Теперь в обеих частях содержится одинаковое число всех атомов, кроме кислорода. Из 33 атомов кислорода, имеющихся в правой части уравнения, 12 поставляются двумя исходными молекулами ТНТ, а остальные 21 должны быть поставлены 10,5 молекулами O₂. Таким образом полное химическое уравнение будет иметь вид:

Можно умножить обе части на 2 и избавиться от нецелочисленного коэффициента 10,5:

Но этого можно и не делать, поскольку все коэффициенты уравнения не обязательно должны быть целочисленными. Правильнее даже составить уравнение, исходя из одной молекулы ТНТ:

Полное химическое уравнение (9) несет в себе много информации. Прежде всего оно указывает исходные вещества — реагенты, а также продукты реакции. Кроме того, оно показывает, что в ходе реакции индивидуально сохраняются все атомы каждого сорта. Если умножить обе части уравнения (9) на число Авогадро N_A=6,022·10 23 , мы сможем утверждать, что 4 моля ТНТ реагируют с 21 молями O₂ с образованием 28 молей CO₂, 10 молей H₂O и 6 молей N₂.

Есть еще одна фишка. При помощи таблицы Менделеева определяем молекулярные массы всех этих веществ:

• C 7 H 5 N 3 O 6 = 227,13 г/моль
• O 2 = 31,999 г/моль
• CO 2 = 44,010 г/моль
• H 2 O = 18,015 г/моль
• N 2 = 28,013 г/моль

Теперь уравнение 9 укажет еще, что 4·227,13 г = 908,52 г ТНТ требуют для осуществления полной реакции 21·31,999 г = 671,98 г кислорода и в результате образуется 28·44,010 г = 1232,3 г CO₂, 10·18,015 г = 180,15 г H₂O и 6·28,013 г = 168,08 г N₂. Проверим, выполняется ли в этой реакции закон сохранения массы:

Но необязательно в химической реакции должны участвовать индивидуальные молекулы. Например, реакция известняка CaCO 3 и соляной кислоты HCl, с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl 2 и диоксида углерода CO 2 :

Химическое уравнение (11) описывает реакцию карбоната кальция CaCO₃ (известняка) и хлористоводородной кислоты HCl с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl₂ и диоксида углерода CO₂. Это уравнение полное, так как число атомов каждого сорта в его левой и правой частях одинаково.

Смысл этого уравнения на макроскопическом (молярном) уровне таков: 1 моль или 100,09 г CaCO₃ требует для осуществления полной реакции 2 моля или 72,92 г HCl, в результате чего получается по 1 молю CaCl₂ (110,99 г/моль), CO₂ (44,01 г/моль) и H₂O (18,02 г/моль). По этим численным данным нетрудно убедиться, что в данной реакции выполняется закон сохранения массы.

Интерпретация уравнения (11) на микроскопическом (молекулярном) уровне не столь очевидна, поскольку карбонат кальция представляет собой соль, а не молекулярное соединение, а потому нельзя понимать химическое уравнение (11) в том смысле, что 1 молекула карбоната кальция CaCO₃ реагирует с 2 молекулами HCl. Тем более молекула HCl в растворе вообще диссоциирует (распадается) на ионы H + и Cl — . Таким образом более правильным описанием того, что происходит в этой реакции на молекулярном уровне, дает уравнение:

Здесь в скобках сокращенно указано физическое состояние каждого сорта частиц (тв. — твердое, водн. — гидратированный ион в водном растворе, г. — газ, ж. — жидкость).

Уравнение (12) показывает, что твердый CaCO₃ реагирует с двумя гидратированными ионами H + , образуя при этом положительный ион Ca 2+ , CO₂ и H₂O. Уравнение (12) как и другие полные химические уравнения не дает представления о молекулярном механизме реакции и менее удобно для подсчета количества веществ, однако, оно дает лучшее описание происходящего на микроскопическом уровне.

Закрепите полученные знания о составлении химических уравнений, самостоятельно разобрав пример с решением:

Надеюсь из урока 13 «Составление химических уравнений» вы узнали для себя что-то новое. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Как составлять уравнения ионных реакций

Знания, необходимые для составления уравнений ионных реакций:

• умение отличать электролит от неэлектролита;
• умение составлять уравнения диссоциации электролитов;
• умение устанавливать значение зарядов ионов.

Таблица растворимости:

Таблица электрохимического ряда напряжений металлов:

В ионных уравнениях химические формулы веществ записывают в двух видах — в виде ионов, либо в виде молекул. Возникает естественный вопрос, — когда то или иное вещество надо записывать в виде иона или молекулы?

В виде ионов записывают формулы следующих веществ:

• сильные кислоты: H₂SO₄, HNO₃, HI. ;
• сильные основания: KOH, NaOH, Ba(OH)₂. ;
• растворимые в воде соли: KNO₃, BaCl₂, NaBr.

В виде молекул записывают формулы следующих веществ:

В случае, если среди продуктов реакции имеются нерастворимые или малорастворимые вещества (осадок), возле таких веществ ставят стрелку вниз (↓). Газообразные и летучие соединения соответственно обозначаются стрелкой, направленной вверх (↑).

Алгоритм составления уравнения ионных реакций

• Записать уравнение в молекулярной форме:
• В тех случаях, когда реакция идет не до конца, у продуктов реакции, выпадающих в осадок или выделяющихся в виде газа, ставят стрелку:
• Записывают уравнение в ионном виде для тех веществ, которые диссоциируют на ионы, с указанием их зарядов:
• Определяют наличие одинаковых ионов в левой и правой части уравнения — это ионы, не принимающие участия в реакции, поэтому, их можно убрать, такая форма записи ионного уравнения называется сокращенной:

• ионы водорода и металлов имеют положительный заряд;
• ионы гидроксония и кислотных остатков — отрицательный заряд;
• как правило, заряд иона численно равен валентности атома.

Составление молекулярных уравнений по ионным

Теперь рассмотрим обратную задачу — как составить молекулярное уравнение, если известно сокращенное ионное уравнение.

• Дано сокращенное ионное уравнение взаимодействия между фосфором и хлором:
• По таблице Растворимостей (см. выше) подбираем соответствующие вещества, содержащие нужный катион и анион — хлорид натрия (NaCl) и нитрат свинца (II) (Pb(NO₃)₂);
• Пишем формулы выбранных веществ, которые должны прореагировать:
• Пишем формулы получившихся в результате реакции веществ:
• Осталось расставить стехиометрические коэффициенты, чтобы уравнять кол-во вещества в левой и правой части уравнения:

Реакции обмена в водных растворах электролитов могут протекать до конца (необратимые реакции)) или же одновременно протекать в противоположных направлениях (обратимые реакции).

Условия протекания необратимых реакций:

• образование осадка;
• выделение газа;
• образование малодиссоциирующего вещества (например, воды).

В случае, если в растворе нет ионов, способных связаться между собой, реакция является обратимой, т.е., не протекает до конца.

Пример необратимой реакции с выпадением осадка был приведен выше — взаимодействие хлорида натрия и нитрата свинца (II).

Пример необратимой реакции с выделением газа — взаимодействие карбоната натрия и соляной кислоты:

Пример необратимой реакции с образованием воды — взаимодействие гидроксида калия и азотной кислоты:

Пример обратимой реакции взаимодействия слабого электролита (CH₃COOH) и нерастворимого основания (Cu(OH)₂):

Если в реакцию вступают сильные электролиты, не дающие в результате взаимодействия малорастворимых или малодиссоциирующих веществ, то такие реакции не протекают — в растворе образуется смесь ионов, которые никак не взаимодействуют друг с другом:

Левая и правая части уравнения содержат абсолютные одинаковые ионы, которые можно сократить, поэтому никакой реакции не происходит.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Как решать уравнения по химии в таблицах

Урок посвящен закреплению умений производить расчеты по уравнению реакции с учетом количественных соотношений участников реакции.

I. Алгоритмы решения задач по уравнению химических реакций

Внимательно изучите алгоритмы и запишите в тетрадь, решите самостоятельно предложенные задачи

• Используя алгоритм, решите самостоятельно следующие задачи:

1. Вычислите количество вещества оксида алюминия, образовавшегося в результате взаимодействия алюминия количеством вещества 0,27 моль с достаточным количеством кислорода (4Al +3O₂=2Al₂O₃).

2. Вычислите количество вещества оксида натрия, образовавшегося в результате взаимодействия натрия количеством вещества 2,3 моль с достаточным количеством кислорода (4Na+O₂=2Na₂O).

Алгоритм №1

Вычисление количества вещества по известному количеству вещества, участвующего в реакции

Пример. Вычислите количество вещества кислорода, выделившегося в результате разложения воды количеством вещества 6 моль.

Последовательность выполнения действий

1. Записать условие задачи

2. Вычислить молярные массы веществ,

о которых, идёт речь в задаче

3. Запишем уравнение реакции

и расставим коэффициенты

4. Над формулами веществ запишем

количества веществ из условия задачи,

а под формулами –

стехиометрические коэффициенты,

отображаемые уравнением реакции

5. Для вычисления искомого количества вещества,

6. Записываем ответ

• Используя алгоритм, решите самостоятельно следующие задачи:

1. Вычислите массу серы, необходимую для получения оксида серы (IV) количеством вещества 4 моль (S+O₂=SO₂).

2. Вычислите массу лития, необходимого для получения хлорида лития количеством вещества 0,6 моль (2Li+Cl₂=2LiCl).

Алгоритм №2

Вычисление массы вещества по известному количеству другого вещества, участвующего в реакции

Пример: Вычислите массу алюминия, необходимого для получения оксида алюминия количеством вещества 8 моль.

Последовательность выполнения действий

Оформление решения задачи

1. Записать условие задачи

2. Вычислить молярные массы веществ,

о которых, идёт речь в задаче

3. Запишем уравнение реакции

и расставим коэффициенты

4. Над формулами веществ запишем

количества веществ из условия задачи,

а под формулами –стехиометрические коэффициенты, отображаемые уравнением реакции

5. Вычислим количества вещества, массу которого требуется найти. Для этого составим соотношение.

6. Вычисляем массу вещества, которую требуется найти

7. Записываем ответ

• Используя алгоритм, решите самостоятельно следующие задачи:

1. Вычислите количество вещества сульфида натрия, если в реакцию с натрием вступает сера массой 12,8 г (2Na+S=Na₂S).

2. Вычислите количество вещества образующейся меди, если в реакцию с водородом вступает оксид меди (II) массой 64 г (CuO + H₂ = Cu + H₂O).

Алгоритм №3

Вычисление количества вещества по известной массе другого вещества, участвующего в реакции

Пример. Вычислите количество вещества оксида меди (I), если в реакцию с кислородом вступает медь массой 19,2г.

Последовательность выполнения действий

1. Записать условие задачи

2. Вычислить молярные массы веществ, о которых, идёт речь в задаче

3. Найдём количество вещества, масса которого дана в условии задачи

4. Запишем уравнение реакции

и расставим коэффициенты

5. Над формулами веществ запишем

количества веществ из условия задачи, а под формулами –стехиометрические коэффициенты, отображаемые уравнением реакции

6. Для вычисления искомого количества вещества, составим соотношение

7. Запишем ответ

• Используя алгоритм, решите самостоятельно задачу:

1. Вычислите массу кислорода, необходимую для реакции с железом массой 112 г (3Fe + 4O₂=Fe₃O₄).

Алгоритм №4

Пример. Вычислите массу кислорода, необходимую для сгорания фосфора, массой 0,31г.

Последовательность выполнения действий

1. Записать условие задачи

2. Вычислить молярные массы веществ,

о которых, идёт реь в задаче

3. Найдём количество вещества, масса которого дана в условии задачи

4. Запишем уравнение реакции и расставим коэффициенты

5. Над формулами веществ запишем

количества веществ из условия задачи, а под формулами –стехиометрические коэффициенты, отображаемые уравнением реакции

6. Вычислим количества вещества, массу которого необходимо найти

7. Найдем массу вещeства, которую требуется вычислить

8. Запишем ответ

II. Задачи для самостоятельного решения

1. Вычислите количество вещества оксида алюминия, образовавшегося в результате взаимодействия алюминия количеством вещества 0,27 моль с достаточным количеством кислорода (4Al +3O₂=2Al₂O₃).

2. Вычислите количество вещества оксида натрия, образовавшегося в результате взаимодействия натрия количеством вещества 2,3 моль с достаточным количеством кислорода (4Na+O₂=2Na₂O).

3. Вычислите массу серы, необходимую для получения оксида серы (IV) количеством вещества 4 моль (S+O₂=SO₂).

4. Вычислите массу лития, необходимого для получения хлорида лития количеством вещества 0,6 моль (2Li+Cl₂=2LiCl).

5. Вычислите количество вещества сульфида натрия, если в реакцию с натрием вступает сера массой 12,8 г (2Na+S=Na₂S).

6. Вычислите количество вещества образующейся меди, если в реакцию с водородом вступает оксид меди (II) массой 64 г (CuO + H₂ = Cu + H₂O).