"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Уравнение химической реакции — запись, которая показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются. Оно помогает не только описать превращение, но и рассчитать, сколько вещества потребуется или получится. Для этого уравнение уравнивают: число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать. Коэффициенты перед формулами задают соотношение количеств веществ, а для расчёта масс используют молярную массу.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Уравнение химической реакции — условная запись превращения веществ с помощью их химических формул. Слева записывают реагенты — исходные вещества, справа продукты — вещества, которые образуются; стрелка показывает направление превращения. Уравнение сообщает и качественный состав реакции, то есть какие вещества участвуют, и количественный — в каком соотношении они реагируют.
Коэффициент — число, записанное перед формулой вещества в уравнении. Он показывает, сколько частиц этого вещества участвует в реакции или образуется, а также задаёт соотношение количеств вещества. Например, коэффициент 2 перед H₂O означает две молекулы воды или 2 моль воды в расчётной записи.
Закон сохранения массы веществ утверждает, что в химической реакции масса исходных веществ равна массе продуктов. Атомы при реакции не исчезают и не возникают заново, а лишь соединяются по-новому. Поэтому в уравнении должно быть одинаковое число атомов каждого элемента слева и справа.
Расчёты по уравнению реакции — это нахождение количества или массы одного вещества по известным данным о другом участнике реакции. Коэффициенты уравнения задают отношение количеств веществ, поэтому сначала связывают данные именно через количество вещества. Такой способ позволяет перейти от сведений об одном участнике реакции к искомой величине для другого.
Сначала записывают формулы исходных веществ слева, а продуктов — справа, разделяя части уравнения стрелкой. Формулы необходимо проверить до уравнивания: коэффициентами нельзя исправить неверно записанный состав вещества. Например, если продуктом названа вода, её формула — H₂O, а не HO. Верная запись формул задаёт, сколько атомов каждого элемента содержится в каждой частице.
Затем подсчитывают атомы каждого элемента в обеих частях и подбирают коэффициенты, чтобы числа совпали. Это требуется потому, что при химическом превращении атомы сохраняются, а меняются лишь связи между ними. Если, например, справа в формуле вещества два атома кислорода, а слева записана молекула с одним атомом кислорода, нужно изменить число частиц коэффициентом. Индексы внутри формул при этом не трогают: они определяют состав самих веществ.
Коэффициенты выбирают так, чтобы уравнение отражало простейшее соотношение целых чисел. Они относятся ко всей формуле: коэффициент 2 перед H₂O означает две молекулы, то есть всего четыре атома водорода и два атома кислорода. Поэтому после каждой расстановки важно пересчитать не только формулы по отдельности, но и общее число атомов с учётом коэффициентов. Если все коэффициенты можно разделить на одно и то же целое число, их сокращают.
Чтобы рассчитать количество искомого вещества, сначала находят количество вещества, указанного в условии, если оно ещё неизвестно. Затем сравнивают коэффициенты двух веществ в уравнении: их отношение показывает, как соотносятся количества участников реакции. Например, если коэффициенты равны 1 и 2, на одну условную часть первого вещества приходится две части второго. Полученное количество переводят в требуемую величину, например в массу.
Если дана масса, её нельзя напрямую сравнивать с коэффициентом: одинаковое число молей разных веществ может иметь разные массы. Сначала массу переводят в количество вещества по формуле n = m/M, где n — количество вещества, m — масса, M — молярная масса. После применения коэффициентов найденное количество при необходимости переводят в массу по формуле m = nM. Уравнение перед расчётом должно быть составлено и уравнено, иначе соотношение коэффициентов будет неверным.
| Что известно или требуется | Связь с количеством вещества | Роль уравнения реакции |
|---|---|---|
| Масса вещества | m = nM | По массе находят количество вещества, чтобы применить коэффициенты |
| Количество вещества | n = m/M; измеряется в молях | Сопоставляют с количеством другого участника по коэффициентам |
| Молярная масса | M = m/n | Помогает переводить массу в количество вещества и обратно |
| Коэффициент перед формулой | Задаёт число частиц и отношение количеств | Используется для нахождения количества искомого вещества |
| Соотношение количеств участников реакции | Отношение количеств равно отношению коэффициентов | Связывает известное и искомое вещества в расчёте |
Сначала определите, какая величина дана и какая требуется: если в условии масса, переведите её в количество вещества. Затем найдите отношение коэффициентов нужных веществ в уравнении и вычислите искомое количество. Если ответ требуется в граммах, используйте молярную массу для обратного перевода.
Сначала записываем формулы участников реакции: водород и кислород существуют в виде двухатомных молекул H₂ и O₂, формула воды — H₂O. Запись без коэффициентов выглядит так: H₂ + O₂ → H₂O. Справа и слева должно совпасть число атомов каждого элемента, потому что реакция не меняет общее количество атомов.
Сравним кислород: слева в O₂ два атома, справа в H₂O — один. Поставим перед водой коэффициент 2: H₂ + O₂ → 2H₂O.
Теперь справа стало четыре атома водорода, поэтому перед H₂ поставим коэффициент 2: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Проверим кислород и водород: слева и справа по четыре атома H и по два атома O. Коэффициенты уже целые и не имеют общего делителя больше единицы.
Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Уравнение показывает, что две молекулы водорода реагируют с одной молекулой кислорода, образуя две молекулы воды.
Используем уже уравненное превращение 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Водород имеется в достаточном количестве, значит, именно количество кислорода определяет, сколько воды может образоваться. Коэффициенты O₂ и H₂O равны 1 и 2, поэтому количество воды в два раза больше количества кислорода.
Запишем данное количество кислорода: n(O₂) = 3 моль.
По коэффициентам найдём количество воды: n(H₂O) = 3 · 2/1 = 6 моль. Деление на 1 показывает, что на каждый моль кислорода приходятся два моля воды.
Проверим смысл результата: кислорода стало в три раза больше, чем в записи уравнения, поэтому количество воды тоже должно увеличиться в три раза относительно 2 моль — до 6 моль.
Ответ: образуется 6 моль воды.
Запишем реакцию: Mg + O₂ → MgO. Чтобы применить количественное соотношение, сначала уравняем её: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты магния и оксида магния одинаковы, значит, количество прореагировавшего Mg равно количеству полученного MgO. Используем молярные массы: M(MgO) = 24 + 16 = 40 г/моль, M(Mg) = 24 г/моль.
Найдём количество оксида магния: n(MgO) = m/M = 16/40 = 0,4 моль.
По отношению коэффициентов 2:2 получаем n(Mg) = 0,4 моль. Это возможно, потому что в уравнении каждой частице MgO соответствует одна частица Mg.
Переведём количество магния в массу: m(Mg) = nM = 0,4 · 24 = 9,6 г.
Ответ: прореагировало 9,6 г магния. Расчёт выполнен через количество вещества, поскольку именно его соотношение задают коэффициенты.
Изменять индексы в формулах. Так иногда пытаются быстрее получить одинаковое число атомов, но изменение индекса меняет состав вещества: H₂O и H₂O₂ — разные вещества. Проверка проста: после уравнивания сравните формулы с теми веществами, которые названы в условии. Если меняли число внутри формулы, а не перед ней, запись нужно исправить.
Считать коэффициент относящимся только к одному атому. Коэффициент умножает всю формулу, поэтому 2H₂O означает две молекулы воды: всего четыре атома водорода и два атома кислорода. Ошибка возникает, когда учитывают коэффициент лишь у первого элемента. Чтобы проверить подсчёт, умножайте количество каждого атома в формуле на коэффициент перед ней.
Не сокращать коэффициенты до наименьших целых чисел. Можно получить верное равенство атомов, но записать, например, все коэффициенты в два раза больше необходимых. Такое уравнение сохраняет соотношение, однако не показывает простейшее целочисленное отношение частиц. Проверьте, делятся ли все коэффициенты на одно и то же целое число, и сократите их, если это возможно.
Подставлять массы напрямую вместо соотношения количеств вещества. Коэффициенты не сообщают, сколько граммов реагирует, а задают отношение количеств вещества. Ошибка появляется, когда число коэффициентов сразу умножают на данную массу. Переведите массу в моли через n = m/M, примените коэффициенты и только затем, если требуется, найдите массу.
Для составления уравнений нужны знания о химических формулах и индексах: они помогают верно записать состав участников реакции. Относительные атомные массы используют при вычислении молярной массы, а связь массы с количеством вещества — при переходе от граммов к молям и обратно. Уравнивание и расчёты по уравнениям пригодятся при изучении типов реакций и химических свойств веществ. Они также составляют основу количественных расчётов в химии: по известному участнику реакции можно определить количество или массу другого.
Почему при уравнивании нельзя менять индексы в формулах?
Индекс показывает, сколько атомов элемента входит в состав частицы вещества. Если изменить индекс, получится формула другого вещества. Чтобы уравнять реакцию, меняют только коэффициенты перед формулами.
Как понять, с какого элемента начинать расстановку коэффициентов?
Обычно начинают с элемента, который входит в состав наименьшего числа формул, а водород и кислород часто оставляют напоследок. Это удобный приём, а не строгое правило: после каждого шага пересчитывайте атомы и проверяйте итоговое уравнение.
Что показывает коэффициент перед формулой вещества?
Коэффициент показывает соотношение частиц веществ и их количеств в реакции. Например, в уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O на 1 моль кислорода приходится 2 моль воды.
Почему расчёты по уравнению проводят через количество вещества?
Коэффициенты уравнения задают соотношение количеств вещества, а не масс. Поэтому сначала находят количество известного вещества, затем по коэффициентам определяют количество искомого и при необходимости переводят его в массу.
Что делать, если в условии задачи дана масса, а не количество вещества?
Переведите массу в количество вещества по формуле n = m/M, где m — масса, а M — молярная масса. Затем используйте соотношение коэффициентов уравнения. Если в ответе нужна масса, переведите найденное количество обратно: m = nM.
§ 19. Составление уравнений химических реакций. Расчёты по химическим уравнениям
