§ 28. Химические уравнения

Определения и обозначения

Химическое уравнение — условная запись химической реакции с помощью формул веществ и коэффициентов. В нём слева указывают исходные вещества, а справа — продукты реакции. Такая запись нужна, чтобы кратко показать состав реакции и соотношение участвующих веществ.

Коэффициент — число перед формулой вещества, показывающее, сколько его частиц участвует в реакции. Например, в записи 2H₂ две молекулы водорода, причём каждая состоит из двух атомов водорода. Коэффициенты нужны для уравнивания числа атомов элементов.

Индекс — маленькое число справа внизу около символа элемента; оно показывает число атомов этого элемента в одной молекуле или формульной единице. В H₂ есть два атома водорода, а в H₂O — два атома водорода и один атом кислорода. При уравнивании индекс не меняют, потому что он является частью формулы вещества.

Закон сохранения массы веществ означает, что в химической реакции число атомов каждого элемента сохраняется, поэтому общая масса исходных веществ равна общей массе продуктов. Атомы не исчезают и не возникают из ничего, а только соединяются по-новому. Именно этот закон объясняет необходимость расставлять коэффициенты.

Как это устроено

Уравнение строят на основе схемы реакции: формулы исходных веществ записывают слева, формулы продуктов — справа, а между ними ставят стрелку. Стрелка показывает направление превращения исходных веществ в продукты. Такой порядок помогает сразу различать, что было в начале реакции, а что получилось в результате.

Формулы веществ в уравнении должны быть записаны правильно, потому что они отражают их постоянный состав. Например, вода обозначается H₂O, а не произвольным сочетанием символов и индексов. Если изменить формулу во время уравнивания, изменится само вещество, поэтому сначала проверяют формулы, а уже потом подбирают коэффициенты.

Коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа было одинаковым. Это необходимо потому, что химическая реакция не уничтожает атомы и не создаёт новые атомы элементов. Например, если справа оказалось два атома кислорода, слева должно быть такое же количество атомов кислорода.

Уравнивание начинают с подсчёта атомов в каждой формуле и выбора наименьших целых коэффициентов. Сначала удобно уравнять элемент, который встречается в меньшем числе формул, а кислород и водород часто оставляют на конец. Коэффициент 1 обычно не записывают, поскольку отсутствие числа перед формулой означает одну частицу или одну формульную единицу.

После расстановки коэффициентов пересчитывают атомы всех элементов по обе стороны стрелки. Если числа совпадают, уравнение составлено правильно; если нет, коэффициенты нужно изменить и проверить снова. В конце убеждаются, что коэффициенты являются наименьшими целыми числами и не имеют общего делителя.

Из чего состоит химическое уравнение

Сначала по таблице можно определить, где находятся исходные вещества и продукты, а затем обратить внимание на числа. Большое число перед формулой — коэффициент, маленькое число внутри формулы — индекс. При проверке уравнения считают атомы с учётом обоих чисел, но изменяют только коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции соединения водорода с кислородом с образованием воды.

Нужно записать формулы водорода, кислорода и воды, а затем уравнять число атомов. Водород и кислород существуют в виде двухатомных молекул, поэтому их формулы — H₂ и O₂, а формула воды — H₂O.

1. Записываем схему реакции: H₂ + O₂ → H₂O.
2. Справа один атом кислорода, а слева два, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂O: H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Теперь справа четыре атома водорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
4. Проверяем: слева четыре атома водорода и два атома кислорода, справа столько же.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Индексы в формулах остались прежними, а изменились только коэффициенты.

Задача 2. Расставьте коэффициенты в схеме Mg + O₂ → MgO.

В схеме магний уже записан правильно, но число атомов кислорода не совпадает. Поскольку слева два атома кислорода, нужно получить два атома кислорода и справа.

1. Ставим коэффициент 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO.
2. После этого справа стало два атома магния, поэтому ставим 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Пересчитываем атомы: по два атома магния и кислорода с каждой стороны.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициент перед оксидом магния одновременно показывает две формульные единицы MgO.

Задача 3. Составьте уравнение реакции алюминия с кислородом с образованием Al₂O₃.

Сначала записываем схему: Al + O₂ → Al₂O₃. В одной формульной единице оксида алюминия два атома алюминия и три атома кислорода, поэтому нужно подобрать коэффициенты, согласующие оба элемента.

1. Чтобы получить шесть атомов кислорода, ставим 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃: Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
2. Справа теперь четыре атома алюминия, поэтому ставим 4 перед Al.
3. Получаем 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ и проверяем оба элемента.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Индексы ₂ и ₃ не менялись: необходимое соотношение частиц показали коэффициенты.

Типичные ошибки

Изменение индекса в формуле — ошибка, потому что так меняется состав вещества. Её допускают, когда пытаются быстро сравнять число атомов. Проверяйте себя: если после исправления получилась новая формула, нужно вернуть индекс и подобрать коэффициент.

Иногда коэффициент ставят только перед одним веществом и не пересчитывают остальные элементы. Такое решение может уравнять один элемент, но нарушить равенство для другого. После каждого изменения считайте атомы всех элементов слева и справа.

Коэффициент и индекс путают из-за их сходного вида. Коэффициент относится ко всей формуле, а индекс — только к стоящему перед ним символу элемента. Для проверки мысленно умножьте каждый индекс на коэффициент перед формулой.

Дробные или слишком большие коэффициенты могут быть признаком незавершённой работы. Иногда коэффициенты можно разделить на одно и то же число, получив меньшие целые значения. В финале проверьте, что коэффициенты целые и не имеют общего делителя.

Связь с другими темами

До составления уравнений нужно уметь читать химические формулы, различать символы элементов и индексы, а также считать атомы в формульной единице. Для записи продуктов реакции пригодятся знания о валентности и признаках химических реакций. Позже уравнения будут нужны при изучении типов реакций, химических свойств веществ и расчётов по уравнениям.

Что запомнить

• Слева в уравнении записывают исходные вещества, справа — продукты реакции.
• Химические формулы при уравнивании не изменяют.
• Коэффициент показывает число частиц вещества и относится ко всей формуле.
• Число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.
• Коэффициент 1 обычно не записывают.
• В уравнении используют наименьшие целые коэффициенты.