Составить уравнения реакций в молекулярном виде расставить коэффициенты

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.

Расстановка коэффициентов в уравнении онлайн

Рекомендации по пользованию сервисом

1) Для того,чтобы расставить расставить коэффициенты в уравнении химической реакции онлайн вставьте уравнение и нажмите «Уравнять»

2) Символы химических элементов следует записывать строго в том виде, в котором они фигурируют в таблице Менделеева. Т.е. первая буква в обозначении символа любого химического элемента должна быть заглавной, а вторая строчной. Например, символ химического элемента марганца следует записать как Mn, но не ни в коем случае как mn и mN;

3) Изредка возникают ситуации, когда формулы реагентов и продуктов записаны абсолютно верно, но коэффициенты все равно не расставляются. Такое может возникать в тех случаях, если коэффициенты в уравнении могут быть расставлены двумя или более способами. Наиболее вероятно возникновение такой проблемы с реакциями окисления органических веществ при которых рвется углеродный скелет. В таком случае попробуйте заменить неизменяемые фрагменты органических молекул на какой-нибудь произвольный символ, например радикал фенил C₆H₅ можно обозначить как Ph или X. Например, следующее уравнение:

не будет сбалансировано, так как возможна разная расстановка коэффициентов. Однако, введя обозначение C₆H₅ = Ph, расстановка коэффициентов происходит корректно:

Примечание

В уравнении допускается для разделения формул реагентов от формул продуктов использовать как знак равенства (=), так и стрелку (→), а также случайная запись отдельных букв символов химических элементов не латиницей, а кириллицей в случае их идентичного написания, как, например, символов C, H, O, P.

В случае, если программа оказалась полезной для Вас вы можете поделиться ссылкой на нее с друзьями в социальных сетях (кнопка внизу).

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Решение задач на определение коэффициентов в уравнениях химических реакций

Задание 221.
Исходя из степени окисления хлора в соединениях НСI, НСIО₃, НСlO₄, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:
КВг + КВгО₃ + Н₂SO₄ → Вг₂ + К₂SO₄ + Н₂O
Решение:
Степень окисления хлора в указанных соединениях соответственно равна -1 (низшая), +5 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда следует, что HCl только восстановитель, HClO – окислитель и восстановитель, HClO₄ – только окислитель. HCl – только восстановитель, потому что атом хлора в своей низшей степени окисления не может её понизить (принять электроны) и проявляет только восстановительные свойства. HClO может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства, потому что в своей промежуточной степени окисления может присоединять пять электронов и отдавать два электрона. HClO₄ может быть только окислителем, потому что в своей высшей степени окисления не может её повысить (отдать электроны).

Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют степень окисления восстановитель с окислителем и отражаем это в электронных уравнениях:

5Br -1 + Br +5 = 6Br 0

Общее число электронов, отданных восстановителем должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Наименьшее кратное для принятых и отданных электронов в данном процессе равно 5. Тогда, разделив число 5 на 5, получим коэффициент 1 для восстановителя и продукта его окисления, а разделив 5 на 1 получаем коэффициент для окислителя и продуктов его восстановления. Коэффициент перед веществами, атомы которых не участвуют в процессе окисления-восстановления, т. е. не меняют свою степень окисления, находим методом подбора. Уравнение реакции будет иметь вид:

Задание 222.
Реакции выражаются схемами:
Р + НIО₃ + Н₂О → Н₃РО₄ + НI
Н₂S + Сl₂ +Н₂O → Н₂SO₄ + НС1
Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое — восстановителем; какое вещество окисляется, какое — восстанавливается.
Решение:
Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют степень окисления восстановитель и окислитель, отражаем это в электронных уравнениях. Далее учитываем: общее число электронов отданных восстановителем должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Коэффициенты для восстановителя и окислителя идентичны как для продуктов восстановления, так и для продуктов окисления реакции. Коэффициенты для веществ, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят методом подбора.

6P 0 + 5I +5 = 6P +5 + I -1

В данной реакции: НIО₃ – окислитель, который восстанавливается до НI, при этом степень окисления йода уменьшается от +5 до -1; Р – восстановитель, который окисляется до Н₃РО₄, при этом степень окисления фосфора увеличивается от 0 до +5.

уравнения электронного баланса

S -2 + 4Cl₂ 0 = S +6 + 8Cl -1

В данной реакции: Cl₂ – окислитель, который восстанавливается до НCl, при этом степень окисления хлора уменьшается от 0 до -1; Н₂S – восстановитель, который окисляется до Н₂SO₄, при этом степень окисления серы увеличивается от -2 до +6.

Задание 223.
Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс — окисление или восстановление — происходит при следующих превращениях: As 3- → As5 + ; N 3+ → N 3- ; S 2- → S 0 .
На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:
Na₂SO₃ + КМnO₄ + Н₂O → Na₂SO₄ + МnO₂ + КОН
Решение:
а) Электронное уравнение:

При превращении As 3- → As5 + происходит процесс окисления (отдача электронов).

б) Электронное уравнение:

При превращении N 3+ → N 3- происходит процесс восстановления (присоединение электронов).

в) Электронное уравнение:

При превращении S 2- → S 0 происходит процесс окисления (отдача электронов).

Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют степень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронных уравнениях:

3S 4+ + 2Mn 7+ = 3S 6+ + 2Mn 4+

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов шесть. Разделив это число на 3, получаем коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 6 на 2 получаем коэффициент 3 для восстановителя и продукта его окисления. Коэффициент перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят подбором. Молекулярное уравнение реакции:

Задание 224.
Исходя из степени окисления фосфора в соединениях РН₃, Н₃РО₄, Н₃РО₃, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:
РbS + HNO₃ → S + Рb(NO₃)₂+ NО + Н₂O
Решение:
а) Степень окисления фосфора в указанных соединениях соответственно равна: -3 (низшая), +5 (высшая), +3 (промежуточная). Отсюда: РН₃ — только восстановитель; Н₃РО₄ -только окислитель; Н₃РО₃ — окислитель и восстановитель.

3S 2- + 2NO 3- + 8H + = 3S 0 + 2NO + 4H₂O

Молекулярное уравнение реакции:

В данной реакции: РbS – восстановитель, HNO₃ – окислитель; РbS окисляется до S, HNO₃ – восстанавливается до NO.

Задание 225.
Реакции выражаются схемами:
Р + НNО₃ + Н₂О → Н₃РО₄ + NO;
KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH → K₂MnO₄ + Na₂SO₃ + Н₂O
Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое — восстановителем; какое вещество окисляется, какое — восстанавливается.
Решение:
Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют степень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронных уравнениях. Коэффициенты для восстановителя и окислителя идентичны для продуктов окисления и восстановления. . Коэффициент перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят подбором.

3Р 0 + 5N 5+ = 3P 5+ + 5N 2+

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов пятнадцать. Разделив это число на 3, получаем коэффициент 5 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 15 на 5 получаем коэффициент 3 для восстановителя и продукта его окисления. Молекулярное уравнение реакции:

В данной реакции: Р – восстановитель, НNО 3 – окислитель; Р окисляется до Н 3 РО 4, НNО 3 – восстанавливается до NO.

б) KMnO 4 + Na 2 SO 3 + KOH = K 2 MnO 4 + Na 2 SO 4 + Н 2 O

Уравнения электронного баланса:

S 0 + 2Mn 7+ = S 6+ + 2Mn 6+

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов два. Разделив это число на 1, получаем коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 2 на 2 получаем коэффициент 1 для восстановителя и продукта его окисления. Молекулярное уравнение реакции:

В данной реакции: Na₂SO₃ – восстановитель, KMnO₄ – окислитель; Na₂SO₃ окисляется до Na₂SO₄, KMnO₄ – восстанавливается до K₂MnO₄.