§ 16. Уравнение химической реакции

Определения и обозначения

Схема химической реакции — запись формулами исходных веществ и продуктов реакции без подбора коэффициентов. Исходные вещества помещают слева от стрелки, а продукты — справа. Схема помогает кратко показать, какие вещества участвуют в превращении, но сама по себе может ещё не отражать равное число атомов по обе стороны.

Уравнение химической реакции — запись реакции с помощью формул веществ и коэффициентов, уравнивающих число атомов каждого элемента. Оно показывает не только состав участников реакции, но и их соотношение. Поэтому по уравнению можно судить, сколько частиц или количеств веществ участвует в превращении.

Коэффициент — число перед формулой вещества, показывающее соотношение частиц или количеств вещества в реакции. Он относится ко всей формуле и умножает число атомов каждого элемента в ней. Например, в 3H₂O коэффициент 3 означает три частицы воды, а не только три атома водорода.

Индекс — маленькая цифра в формуле вещества, указывающая число атомов элемента в частице; при уравнивании реакции индекс не изменяют. Например, в H₂O у одной частицы воды два атома водорода и один атом кислорода. Индекс нужен для точного обозначения состава вещества, поэтому менять его ради равенства атомов нельзя.

Как это устроено

Сначала реакцию записывают схемой: слева размещают формулы исходных веществ, справа — формулы продуктов, а между ними ставят стрелку. Такое расположение показывает направление превращения: из исходных веществ образуются продукты. Формулы необходимо записать правильно, потому что при подборе коэффициентов состав веществ уже не меняют.

Уравнение должно отражать сохранение атомов: число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым. Во время реакции атомы не исчезают и не возникают из ничего, а только перегруппировываются, образуя новые вещества. Поэтому проверяют отдельно каждый элемент, а не только общее число атомов или количество формул.

Чтобы уравнять схему, подбирают коэффициенты перед формулами; коэффициент умножает число атомов каждого элемента в формуле на это число. Например, 2H₂O содержит четыре атома водорода и два атома кислорода: коэффициент 2 умножает и индекс H₂, и число атомов O, которое без индекса равно одному. Индексы при этом остаются прежними, так как они задают состав конкретного вещества.

Подбор часто начинают с элементов, атомы которых входят в наименьшее число формул: тогда проще увидеть, какие количества нужно уравнять. Водород и кислород нередко оставляют напоследок, потому что они могут встречаться сразу в нескольких веществах. После подбора коэффициентов пересчитывают атомы всех элементов по обе стороны и записывают наименьшие целые коэффициенты. Коэффициент 1 обычно не пишут, поскольку его подразумевают.

Как перейти от схемы реакции к уравнению

Пользуйтесь таблицей как последовательностью действий: переходите к следующему этапу только после проверки предыдущего. Если при итоговой проверке количество атомов не совпало, вернитесь к подбору коэффициентов, не меняя индексы.

Разбор задач

Условие: расставьте коэффициенты в схеме Mg + O₂ → MgO. Сначала сравним атомы кислорода: слева их два, а справа в одной формуле MgO — один. Значит, сначала уравняем кислород, а затем проверим количество магния.

1. Поставим 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO. Теперь справа два атома кислорода, как и слева.
2. Справа стало два атома магния, поэтому поставим 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Проверим: магния по два атома с каждой стороны, кислорода тоже по два. Все коэффициенты целые и их нельзя сократить.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Условие: расставьте коэффициенты в схеме H₂ + O₂ → H₂O. В молекуле кислорода два атома O, а в одной молекуле воды — один атом O. Уравняем кислород, поставив коэффициент перед водой, и после этого пересчитаем водород.

1. Поставим 2 перед H₂O: H₂ + O₂ → 2H₂O. Теперь число атомов кислорода справа равно двум.
2. Справа получилось четыре атома водорода, поэтому поставим 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Проверим: водорода по четыре атома, кислорода по два. Общего делителя у коэффициентов, кроме 1, нет.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Условие: расставьте коэффициенты в схеме Al + HCl → AlCl₃ + H₂. Начнём с алюминия и хлора: в AlCl₃ содержатся три атома Cl, поэтому при одном атоме алюминия для хлора потребуется три молекулы HCl. Затем уравняем водород, помня, что коэффициент относится ко всей формуле HCl.

1. Для удобного подсчёта поставим 2 перед AlCl₃; тогда справа два атома Al и шесть атомов Cl. Поставим 2 перед Al и 6 перед HCl.
2. Получим 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + H₂. Слева шесть атомов водорода, значит, справа нужны три молекулы H₂: поставим перед H₂ коэффициент 3.
3. Проверим: Al — 2 атома с каждой стороны, Cl — 6, H — 6. Коэффициенты 2, 6, 2 и 3 нельзя сократить на общее число.

Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂.

Типичные ошибки

Изменяют индекс в формуле, пытаясь уравнять атомы. Так поступают, когда принимают индекс за свободно изменяемое число, но он задаёт состав вещества: вместо исходного соединения может получиться другое. Проверка простая: в ходе уравнивания формулы веществ должны оставаться неизменными, а меняться могут только числа перед ними.

Подбирают коэффициент только для одного элемента в формуле. Например, учитывают водород в H₂O, но забывают, что изменение числа частиц меняет и количество кислорода. Это происходит, если считать элементы по отдельности, не связывая их с общей формулой. При проверке умножайте каждый индекс и число атомов без индекса на коэффициент.

Считают коэффициент только для первого элемента формулы или относят его лишь к ближайшему символу. Причина ошибки — неверное чтение записи: число перед формулой относится ко всему веществу. Например, 2AlCl₃ означает два атома Al и шесть атомов Cl. Чтобы проверить себя, обводите мысленно всю формулу после коэффициента и пересчитывайте каждый элемент.

Не проверяют число атомов после расстановки коэффициентов или оставляют коэффициенты, которые можно сократить. При подборе легко потерять элемент или ошибиться в умножении, а найденные числа могут оказаться не наименьшими. Пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа, затем проверьте, делятся ли все коэффициенты на одно и то же целое число больше 1.

Связь с другими темами

Для составления уравнений нужны знания о химических формулах: важно правильно читать индексы и определять число атомов каждого элемента в частице. Например, в формуле AlCl₃ один атом алюминия и три атома хлора; коэффициент перед ней умножит оба количества. Уравнивание основано на законе сохранения массы веществ: атомы при реакции сохраняются, хотя состав частиц меняется. Позже уравнения используют для расчётов, чтобы находить соотношения количеств реагирующих веществ и продуктов.

Что запомнить

• В схеме исходные вещества записывают слева, продукты реакции — справа.
• Уравнение реакции должно сохранять число атомов каждого элемента.
• Для уравнивания меняют коэффициенты перед формулами, а не индексы в них.
• Коэффициент относится ко всей формуле вещества.
• Коэффициент 1 обычно не записывают.
• В окончательном уравнении используют наименьшие целые коэффициенты.