Какими бывают уравнения в химии

Как составить уравнение химической реакции: пошаговая инструкция

Превращение одних веществ в другие — обычное явление, которое происходит в ходе химических реакций. Для того чтобы обозначить, как протекают такие процессы, используют специальную систему уравнений. Так, например, горение метана (мы можем наблюдать его каждый день, когда зажигаем газовую плиту) протекает по следующей схеме:

СН4 + 2О2 → СО2 + Н2О

Расшифровать уравнение реакции можно следующим образом. Две молекулы кислорода соединяются с молекулой метана и в результате формируют две молекулы воды и молекулу углекислого газа. Можно отметить, что во время протекания реакции связи между некоторыми атомами (например, водорода и углерода) разрываются. Вместо них появляются новые, благодаря которым и формируются углекислород и вода.

Особенности записи формул химических реакций

Уравнения химических реакций: способы решения заданий

Для удобства записи уравнения химических реакций делают предельно схематичными: их записывают только при помощи латинских букв и цифр. В левой части уравнения указываются реагенты (те вещества, которые взаимодействуют между собой), а в правой — так называемые продукты реакции (те вещества, которые формируются после завершения процесса). При записи уравнения важно помнить о двух правилах.

1. Атомы не исчезают никуда и не появляются из ниоткуда (соответственно, их число в обоих частях формулы должно быть одинаковым).
2. Общая масса реагентов не может отличаться от итоговой массы продуктов реакции (именно по этой причине записи протекания реакций называют уравнениями).

Какими бывают химические реакции

Выделяют четыре варианта взаимодействия химических веществ друг с другом.

Как расставить коэффициенты в химических уравнениях

Чтобы уравнение реакции было верным, крайне важно правильно расставить в нем коэффициенты. С помощью этих цифр указывается, какое число молекул необходимо для протекания реакции. Внешне коэффициент выглядит как число, поставленное перед формулой вещества (например, 2NaCl). Важно не перепутать их с индексами: последние как раз ставятся под символом химического элемента и указывают на количество атомов (например, H2).

Если вам требуется узнать, сколько атомов конкретного вещества участвует в реакции, следует индекс умножит на коэффициент. Например, при использовании двух молекул воды (2H₂O) речь идет о четырех атомах водорода и двух атомах кислорода. При решении уравнения реакции задача ученика — подобрать коэффициент и узнать, сколько молекул участвует в процессе.

Помочь разобраться в этом нелегком деле могут наши репетиторы по химии в Москве. Ведь, согласитесь, поспеть за школьной программой порой непросто и некоторые темы требуют более детального изучения, чем отведенные несколько школьных уроков.

Как составить уравнение химической реакции: пошаговая инструкция

1. Подготовьте схему реакции. Для этого потребуется выделить реагенты и продукты реакции. Например, для формирования оксида магния схема будет выглядеть так: Mg + O2 → MgO.
2. Расставьте коэффициенты. Из предыдущего примера видно, что в левой части уравнения представлено два атома кислорода, а в правой — только один. Поэтому в продукте реакции нужно увеличить количество молекул: Mg + O₂ → 2MgO. Теперь у нас есть равное количество атомов кислорода, а вот с магнием возникла проблема. Уравняем и его число: 2Mg + O₂ = 2MgO. Обратите внимание, что знак равно можно ставить только после того, как уравнение решено, до этого используется символ горизонтальной стрелки.

Уравнения химических реакций: способы решения заданий

В качестве завершающего примера предложим реакцию разложения нитрата калия. Он образует два вещества: кислород и нитрит калия. Схема реакции выглядит следующим образом: KNO₃ → KNO₂ + О₂. Если с атомами азота и калия все в порядке, то кислорода до момента начала реакции было три, а вот по завершении разложения стало уже четыре. Чтобы уравнять части поставим перед реагентом удвоенный коэффициент: 2KNO₃ → KNO₂ + О₂.

Теперь нужно разобраться с цифрами. До реакции мы имеем по два атома азота и калия и шест атомов кислорода. После же разложения атомов азота и калия по одному, а атомов кислорода всего четыре. Чтобы создать равенство, потребуется поставить удвоенный коэффициент перед нитритом калия в продуктах реакции: 2KNO₃ = 2KNO₂ + О₂. В итоге мы получили равное количество атомов в обеих частях: по два калия и азота и шесть кислорода. Важность уравнений состоит в том, что они не только дают определить, какие вещества получатся в ходе протекания реакции, но и позволяют понять количественное соотношение используемых реагентов.

Уравнения химических реакций

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 982.

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 982.

Запись химического взаимодействия, отражающая количественную и качественную информацию о реакции, называют уравнением химических реакций. Записывается реакция химическими и математическими символами.

Основные правила

Химические реакции предполагают превращение одних веществ (реагентов) в другие (продукты реакции). Это происходит благодаря взаимодействию внешних электронных оболочек веществ. В результате из начальных соединений образуются новые.

Чтобы выразить ход химической реакции графически, используются определённые правила составления и написания химических уравнений.

В левой части пишутся изначальные вещества, которые взаимодействуют между собой, т.е. суммируются. При разложении одного вещества записывается его формула. В правой части записываются полученные в ходе химической реакции вещества. Примеры записанных уравнений с условными обозначениями:

• CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓+ Na₂SO₄;
• CaCO₃ = CaO + CO₂↑;
• 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑;
• CH₃COONa + H₂SO₄(конц.) → CH₃COOH + NaHSO₄;
• 2NaOH + Si + H₂O → Na₂SiO₃ + H₂↑.

Коэффициенты перед химическими формулами показывают количество молекул вещества. Единица не ставится, но подразумевается. Например, уравнение Ba + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂ показывает, что из одной молекулы бария и двух молекул воды получается по одной молекуле гидроксида бария и водорода. Если пересчитать количество водорода, то и справа, и слева получится четыре атома.

Обозначения

Для составления уравнений химических реакций необходимо знать определённые обозначения, показывающие, как протекает реакция. В химических уравнениях используются следующие знаки:

• → – необратимая, прямая реакция (идёт в одну сторону);
• ⇄ или ↔ – реакция обратима (протекает в обе стороны);
• ↑ – выделяется газ;
• ↓ – выпадает осадок;
• hν – освещение;
• t° – температура (может указываться количество градусов);
• Q – тепло;
• Е(тв.) – твёрдое вещество;
• Е(газ) или Е(г) – газообразное вещество;
• Е(конц.) – концентрированное вещество;
• Е(водн.) – водный раствор вещества.

Вместо стрелки (→) может ставиться знак равенства (=), показывающий соблюдение закона сохранения вещества: и слева, и справа количество атомов веществ одинаково. При решении уравнений сначала ставится стрелка. После расчёта коэффициентов и уравнения правой и левой части под стрелкой подводят черту.

Условия реакции (температура, освещение) указываются сверху знака протекания реакции (→,⇄). Также сверху подписываются формулы катализаторов.

Какие бывают уравнения

Химические уравнения классифицируются по разным признакам. Основные способы классификации представлены в таблице.

Признак

Реакции

Описание

Пример

По изменению количества реагентов и конечных веществ

Из простого и сложного вещества образуются новые простые и сложные вещества

Несколько веществ образуют новое вещество

Из одного вещества образуется несколько веществ

Обмен составными частями (ионами)

По выделению тепла

По типу энергетического воздействия

Действие электрического тока

Действие высокой температуры

По агрегатному состоянию

Существует понятие химического равновесия, присущее только обратимым реакциям. Это состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции, а также концентрации веществ равны. Такое состояние характеризуется константой химического равновесия.

При внешнем воздействии температуры, давления, света реакция может смещаться в сторону уменьшения или увеличения концентрации определённого вещества. Зависимость константы равновесия от температуры выражается с помощью уравнений изобары и изохоры. Уравнение изотермы отражает зависимость энергии и константы равновесия. Эти уравнения показывают направление протекания реакции.

Рис. 3. Уравнения изобары, изохоры и изотермы.

Что мы узнали?

В уроке химии 8 класса была рассмотрена тема уравнений химических реакций. Составление и написание уравнений отражает ход химической реакции. Существуют определённые обозначения, показывающие состояние веществ и условия протекания реакции. Выделяют несколько видов химических реакций по разным признакам: по количеству вещества, агрегатному состоянию, поглощению энергии, энергетическому воздействию.

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.