Химические уравнения

Химическая формула описывает состав вещества, а химическое уравнение показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются. По правильно составленному уравнению можно проверить сохранение атомов, сравнить количества реагентов и продуктов, а затем рассчитать массу или объём вещества. Но сначала нужно научиться читать эту запись и расставлять коэффициенты.

Что записывают в химическом уравнении

Химическое уравнение — условная запись химической реакции с помощью формул веществ, коэффициентов и знаков. В уравнении обычной химической реакции число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

Слева от стрелки записывают реагенты, справа — продукты. Знак «+» разделяет формулы разных веществ. Стрелка показывает направление превращения; в школьных записях вместо неё иногда используют знак равенства. Для обратимой реакции применяют двойную стрелку ⇌.

2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Два вещества — водород и кислород — образуют одно вещество, воду. Коэффициент 2 перед формулой воды относится ко всей формуле: справа четыре атома водорода и два атома кислорода. Если коэффициента нет, он равен единице. Уравнение не показывает само по себе, сколько секунд длится процесс, какую долю реагентов удалось превратить и как именно перестраивались связи.

При необходимости рядом с формулой указывают состояние вещества: твёрдое, жидкое, газообразное или водный раствор. Это особенно важно для воды: жидкая вода и водяной пар имеют одну формулу, но различаются состоянием и объёмом.

Схема реакции и уравнивание

Сначала по известным химическим свойствам устанавливают формулы исходных веществ и продуктов. Такая запись без подобранных коэффициентов называется схемой реакции. Затем её уравнивают. Если продукты неизвестны, один лишь подсчёт атомов не позволяет надёжно определить их: возможное превращение зависит от условий.

При уравнивании изменяют только коэффициенты, сохраняя формулы веществ. Изменение индекса меняет состав и обычно превращает одно вещество в другое.

Например, H₂O и H₂O₂ — вода и пероксид водорода. Нельзя превратить одну формулу в другую ради совпадения числа атомов. Коэффициент перед скобками и индексами умножает их все: запись 3Ca(OH)₂ соответствует трём атомам кальция, шести атомам кислорода и шести атомам водорода.

1. Запишите правильные формулы реагентов и продуктов.
2. Подсчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон.
3. Подберите коэффициенты. Часто удобнее начать с элемента, входящего только в одно вещество слева и одно справа, а водород и кислород оставить напоследок.
4. Пересчитайте все атомы после последнего изменения.
5. Если все целые коэффициенты имеют общий делитель, сократите их. Обычная школьная запись использует наименьшие целые коэффициенты.

Три разобранных примера

1. Образование оксида алюминия

Алюминий при взаимодействии с кислородом образует Al₂O₃. В кислороде атомы идут парами, а в формульной единице оксида их три. Наименьшее общее кратное чисел 2 и 3 равно 6: нужны три молекулы кислорода и две формульные единицы оксида. В них четыре атома алюминия, поэтому перед Al ставим 4.

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.

Проверка: слева и справа по четыре атома Al и по шесть атомов O. Непосредственное окисление алюминия зависит от состояния его защитной оксидной плёнки; баланс уравнения не описывает эти условия.

2. Полное сгорание метана

При полном сгорании метана в достаточном количестве кислорода образуются углекислый газ и вода. Один атом углерода даёт одну молекулу CO₂, четыре атома водорода — две молекулы воды. Всего в продуктах четыре атома кислорода, поэтому нужны две молекулы O₂. Реакцию инициируют зажиганием.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

При недостатке кислорода состав продуктов может быть другим: эта запись относится именно к полному сгоранию.

3. Восстановление оксида железа водородом

Для суммарного восстановления оксида железа(III) водородом при нагревании до железа используют уравнение:

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.

Одна формульная единица оксида содержит два атома железа и три атома кислорода. Чтобы связать весь кислород в воду, требуются три молекулы H₂. Числа атомов совпадают: Fe — 2, O — 3, H — 6 с каждой стороны.

Коэффициенты задают отношение количеств веществ, выраженных в молях. Они не задают отношение масс. Для газов отношение объёмов равно отношению коэффициентов, если объёмы сравнивают при одинаковых температуре и давлении и применима модель идеального газа.

В последнем примере на 3 моль израсходованного H₂ образуются 2 моль Fe и 3 моль H₂O. Поэтому отношения H₂ : Fe и H₂ : H₂O равны соответственно 3 : 2 и 1 : 1. Избыток водорода в сосуде не обязан израсходоваться целиком.

Границы записи и частые ошибки

• Правильный баланс не доказывает возможность реакции. Сначала выясняют свойства веществ и условия, затем подбирают коэффициенты.
• Коэффициент и индекс читают совместно. В 2CO₂ два атома C и четыре атома O, а не два атома каждого элемента.
• Не все вещества состоят из молекул. Для металлов и ионных кристаллов говорят об атомах и формульных единицах; при расчётах удобен общий язык молей.
• Условия нельзя терять. Разложение CaCO₃ на CaO и CO₂ требует сильного нагревания; равновесие зависит также от давления углекислого газа.
• В ионном уравнении проверяют ещё и заряд. Суммарный электрический заряд должен совпадать слева и справа.

Проверьте себя

1. Уравняйте схему образования MgO из магния и кислорода.
2. Что означает коэффициент 2 в записи 2H₂O? Сколько атомов каждого элемента ему соответствует?
3. Запишите разложение карбоната кальция на оксид кальция и углекислый газ. Какова сумма наименьших целых коэффициентов?
4. Уравняйте превращение P₄ в P₄O₁₀ при полном окислении кислородом.
5. По уравнению восстановления Fe₂O₃ найдите количества железа и воды при расходовании 6 моль H₂, если оксид взят в достаточном количестве и превращение полное.

Ответы с объяснениями

1. В молекуле кислорода два атома, поэтому образуются две формульные единицы MgO и расходуются два атома Mg:

   2Mg + O₂ → 2MgO.

2. Это две молекулы воды либо 2 моль воды, если речь идёт о количестве вещества. Двум молекулам соответствуют четыре атома H и два атома O; 2 моль воды содержат 4 моль атомов H и 2 моль атомов O.

3. При сильном нагревании:

   CaCO₃ → CaO + CO₂↑.

   Все коэффициенты равны 1, их сумма — 3.

4. Справа десять атомов кислорода, поэтому слева нужно пять молекул O₂:

   P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀.

5. Количество водорода вдвое больше коэффициента 3, поэтому остальные количества также увеличиваются вдвое:

   n(Fe) = 6 · 2/3 = 4 моль; n(H₂O) = 6 · 3/3 = 6 моль.

Связанные темы

Закон сохранения массы, типы химических реакций, моль.

Источники

Принципы записи и проверки уравнений: OpenStax, Writing and Balancing Chemical Equations; отношения количеств веществ: OpenStax, Reaction Stoichiometry.