26. Химические уравнения

Определения и обозначения

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью формул веществ и коэффициентов. Оно показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются, а также в каком соотношении они участвуют. Поэтому запись передаёт не только названия веществ, но и количественную связь между ними.

Исходные вещества, или реагенты, — вещества, вступающие в реакцию. Их формулы записывают слева от стрелки. По этой части уравнения можно определить, какие вещества изменяются в ходе реакции.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в результате превращения реагентов. Их формулы записывают справа от стрелки. Такое расположение помогает отличить исходные вещества от тех, которые получились в результате реакции.

Коэффициент — число перед формулой вещества, показывающее соотношение частиц или количеств вещества. Он относится ко всей формуле: например, 2H₂O означает две частицы воды. Коэффициент не следует путать с индексом внутри формулы: индекс показывает состав одной частицы, а коэффициент — число таких частиц.

Как это устроено

Словесную запись реакции сначала превращают в схему: слева записывают формулы реагентов, справа — формулы продуктов, а между частями ставят стрелку. Например, фразу «водород реагирует с кислородом, образуя воду» записывают как H₂ + O₂ → H₂O. Формулы позволяют сделать запись короче и точнее, чем перечисление названий. На этом этапе схема ещё может быть не уравнена.

Формулы нельзя подбирать произвольно, потому что каждая из них обозначает определённое вещество с определённым составом. Например, вода имеет формулу H₂O, а запись H₂O₂ обозначает другое вещество — пероксид водорода. Индексы показывают, сколько атомов элемента содержится в частице, поэтому при уравнивании их не меняют. Менять можно число частиц, а для этого используют коэффициенты перед формулами.

Основа уравнивания — закон сохранения массы: при химической реакции атомы не исчезают и не возникают из ничего, а лишь перегруппировываются. Значит, до реакции и после неё должно быть одинаковое число атомов каждого элемента. Если слева есть два атома кислорода, справа тоже должны оказаться два атома кислорода. Так запись реакции показывает сохранение состава атомов, хотя сами вещества меняются.

Чтобы подобрать коэффициенты, считают атомы каждого элемента по обе стороны стрелки. Затем ставят числа перед формулами и снова проверяют баланс: коэффициент умножает количество атомов всех элементов в данной формуле. Например, в 2H₂O находятся четыре атома водорода и два атома кислорода. После подбора одного коэффициента нужно проверить остальные элементы, потому что изменение числа частиц влияет на каждый атом в формуле.

Коэффициенты задают наименьшее целочисленное соотношение участников реакции. Если все числа можно одновременно разделить на одно и то же целое число, коэффициенты следует сократить. Например, запись 2H₂ + O₂ → 2H₂O уже содержит наименьшее целое соотношение. Единицу перед формулой обычно не пишут, потому что отсутствие коэффициента означает, что он равен 1.

Элементы химического уравнения и их значение

При чтении уравнения сначала найди стрелку: она отделяет исходные вещества от продуктов. Затем посмотри на коэффициенты и индексы, чтобы правильно посчитать частицы и атомы. Коэффициенты относятся ко всей формуле, а индекс — только к тому элементу, рядом с которым стоит.

Разбор задач

1. Составьте и уравняйте реакцию образования воды из водорода и кислорода.

Сначала запишем правильные формулы веществ: водород и кислород существуют в виде двухатомных молекул H₂ и O₂, а формула воды — H₂O. Получаем схему H₂ + O₂ → H₂O. Далее нужно сравнить число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки и изменить только коэффициенты.

1. Слева два атома O, а справа один, поэтому поставим 2 перед H₂O: H₂ + O₂ → 2H₂O.
2. Теперь справа четыре атома H, значит, перед H₂ поставим 2: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Проверим баланс: слева и справа по четыре атома H и по два атома O. Коэффициенты нельзя сократить, поэтому уравнение готово.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Это уравнение означает, что две молекулы водорода реагируют с одной молекулой кислорода. В результате образуются две молекулы воды.

2. Уравняйте реакцию горения магния: Mg + O₂ → MgO.

Формулы веществ уже записаны верно: магний обозначен Mg, кислород — O₂, оксид магния — MgO. Сначала сравним атомы кислорода: слева их два, а справа один. Подбор начнём с кислорода, а затем проверим, сколько атомов магния потребуется для равенства.

1. Поставим 2 перед MgO, чтобы справа стало два атома O: Mg + O₂ → 2MgO.
2. Справа теперь два атома Mg, поэтому поставим 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Проверим: с каждой стороны два атома Mg и два атома O. Индексы в формулах не менялись.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты показывают соотношение частиц магния, кислорода и оксида магния. Если бы мы изменили формулу MgO, то получили бы другое вещество, а не уравняли реакцию.

3. Уравняйте реакцию Al + O₂ → Al₂O₃ и объясните смысл коэффициентов.

В формуле Al₂O₃ есть два атома алюминия и три атома кислорода. Чтобы уравнять кислород, удобно получить общее число, которое делится и на 2 из O₂, и на 3 из Al₂O₃. Наименьшее такое число — 6; после этого нужно уравнять алюминий и проверить результат.

1. Поставим 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃: Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Теперь кислорода с обеих сторон по шесть атомов.
2. Справа получилось четыре атома Al, поэтому поставим 4 перед Al: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
3. Слева и справа теперь по четыре атома Al и по шесть атомов O. Коэффициенты 4, 3 и 2 нельзя сократить на общее целое число.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Коэффициенты означают простейшее соотношение частиц: четыре частицы алюминия реагируют с тремя молекулами кислорода и образуют две частицы оксида алюминия. Эти числа также задают соотношение соответствующих количеств веществ.

Типичные ошибки

Меняют индекс в формуле, чтобы уравнять число атомов. Так делать нельзя: изменение индекса меняет состав частицы и обозначает другое вещество. Ошибку часто допускают, потому что пытаются исправить число атомов прямо в формуле; проверь себя, сравнив формулы до и после уравнивания — изменяться должны только коэффициенты.

Учитывают коэффициент лишь для одного атома в сложной формуле. На самом деле он умножает число атомов каждого элемента во всей формуле: в 2Al₂O₃ содержатся четыре атома Al и шесть атомов O. Ошибка появляется, если считать только элемент, который уравнивают первым. Для проверки умножь коэффициент на каждый индекс в формуле.

Не учитывают индекс у двухатомной молекулы, например O₂. Тогда вместо двух атомов кислорода считают один и подбирают неверные коэффициенты. Это происходит, когда формулу читают как знак элемента, не замечая индекс; для проверки проговори число атомов каждого элемента в одной частице перед подсчётом общего количества.

После подбора коэффициентов проверяют не все элементы. Баланс одного элемента может нарушить равенство для другого, особенно если коэффициент стоит перед сложной формулой. Чтобы не пропустить это, составь мысленный список элементов и отдельно сравни число атомов каждого слева и справа. Уравнение готово только тогда, когда совпадают все значения.

Связь с другими темами

Для записи уравнений нужно знать химические знаки элементов и уметь читать формулы простых и сложных веществ. Без этого нельзя определить, какие атомы и в каком количестве входят в состав частиц. Также требуется закон сохранения массы: он объясняет, почему число атомов каждого элемента должно совпадать по обе стороны стрелки.

Уравнения станут основой для изучения типов химических реакций: по ним можно увидеть, как меняются вещества. Они нужны и для расчётов по химическим реакциям, потому что коэффициенты показывают соотношение участников. Поэтому навык уравнивания помогает перейти от описания превращений к количественным задачам.

Что запомнить

• Реагенты записывают слева от стрелки, продукты — справа.
• Уравнение реакции должно отражать закон сохранения массы.
• Число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.
• Уравнивают реакцию коэффициентами перед формулами.
• Индексы в химических формулах при уравнивании не меняют.
• Коэффициент 1 обычно не записывают.