§ 20. Химические уравнения

Определения и обозначения

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью формул веществ и знака равенства или стрелки. Слева в нём указывают вещества, которые вступают в реакцию, а справа — вещества, получившиеся в результате. Такая запись кратко показывает превращение одних веществ в другие и позволяет проверить, соблюдён ли закон сохранения массы.

Исходные вещества — вещества, вступающие в химическую реакцию и записываемые в левой части уравнения. Их также называют реагентами. По формулам слева можно понять, какие вещества были взяты для реакции, и подсчитать число атомов каждого элемента до превращения.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в результате химического превращения и записываемые в правой части уравнения. Их формулы показывают, какие новые вещества получились. Сопоставляя левую и правую части, можно увидеть, как атомы исходных веществ распределились в составе продуктов.

Коэффициент — число перед формулой вещества, которое показывает соотношение его частиц с частицами других веществ в реакции. Он относится ко всей формуле и умножает число каждого атома в ней. Коэффициент 1 обычно не пишут, поэтому формула без числа перед ней тоже имеет коэффициент — единицу.

Как это устроено

Чтобы перейти от словесного описания реакции к записи, сначала определяют исходные вещества и продукты. Формулы исходных веществ помещают слева, а формулы продуктов — справа, потому что запись должна показывать направление превращения. Между частями ставят стрелку, означающую «образуются», или знак равенства в условной записи уравнения. Например, словесное описание «водород реагирует с кислородом, образуется вода» превращается в схему H₂ + O₂ → H₂O.

Одной схемы недостаточно: уравнение должно согласоваться с законом сохранения массы. При химической реакции атомы не исчезают и не возникают из ничего, а лишь соединяются по-новому. Поэтому в закрытой системе сохраняется общее количество вещества, а в записи число атомов каждого элемента должно быть одинаковым до и после реакции. Если количества не совпадают, схема ещё не отражает реакцию количественно и её нужно уравнять.

Для уравнивания считают атомы каждого элемента отдельно в левой и правой частях, а затем подбирают числа перед формулами. Эти числа называются коэффициентами: они увеличивают количество всех частиц соответствующего вещества и, следовательно, всех атомов в его формуле. После каждого изменения нужно снова пересчитать элементы, потому что новый коэффициент может повлиять сразу на несколько подсчётов. Проверка завершена, когда для каждого элемента числа слева и справа совпали.

Изменять при этом можно только коэффициенты, но не индексы внутри формул. Индекс показывает состав частицы: например, в H₂O на два атома водорода приходится один атом кислорода. Если заменить H₂O на H₂O₂, получится формула другого вещества, а значит, изменится сама реакция. Коэффициент, напротив, указывает, сколько частиц уже заданного вещества участвует в превращении, поэтому он подходит для уравнивания.

Коэффициенты сообщают соотношение частиц реагентов и продуктов, а не просто украшают запись. В уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O числа означают, что две частицы водорода реагируют с одной частицей кислорода и образуют две частицы воды. То же соотношение можно применять к большим количествам вещества, если сохранять пропорцию. Поэтому по уравнению можно не только описать реакцию, но и выполнять количественные расчёты.

Элементы химического уравнения и их назначение

Читайте уравнение слева направо: сначала определите исходные вещества, затем посмотрите, какие продукты им соответствуют. Коэффициенты помогают сравнить количество частиц, а индексы — понять состав каждой частицы. При проверке равенства атомов учитывайте и коэффициент, и индекс.

Разбор задач

Составим уравнение реакции водорода с кислородом, при которой образуется вода: H₂ + O₂ → H₂O. Сначала проверим, сколько атомов каждого элемента записано с обеих сторон. В кислороде слева два атома, а в воде справа пока один, поэтому сначала удобно уравнять кислород. Затем проверим, не изменилось ли равенство по водороду.

1. Поставим 2 перед H₂O: справа станет два атома кислорода, как и слева. Теперь справа четыре атома водорода.
2. Чтобы получить четыре атома водорода слева, поставим 2 перед H₂. Слева и справа будет по четыре атома H и по два атома O.
3. Проверим, что коэффициенты нельзя сократить на общий делитель. Запишем результат: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Теперь уравняем реакцию магния с кислородом: Mg + O₂ → MgO. Кислород в исходных веществах входит в двухатомные молекулы O₂, а в формуле оксида магния на одну частицу приходится один атом O. Поэтому сначала подберём коэффициент перед MgO, чтобы число атомов кислорода справа стало чётным.

1. Поставим 2 перед MgO: справа будет два атома кислорода, как слева в O₂.
2. Теперь справа два атома магния, поэтому поставим 2 перед Mg. Число атомов Mg и O с обеих сторон совпадёт.
3. Запишем уравнение 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты 2, 1 и 2 нельзя сократить на общий делитель больше единицы.

Уравняем обжиг пирита: FeS₂ + O₂ → Fe₂O₃ + SO₂. Здесь важно не менять состав формул, а подбирать коэффициенты так, чтобы сохранить атомы железа, серы и кислорода. Сначала уравняем железо и серу, а кислород проверим последним, потому что он входит в два продукта. Если получаются чётные коэффициенты, их в конце сократим, когда это возможно.

1. В Fe₂O₃ два атома железа, поэтому поставим 2 перед Fe₂O₃ и 4 перед FeS₂. Теперь железа по 4 атома с обеих сторон.
2. Слева в 4FeS₂ содержится 8 атомов серы, поэтому поставим 8 перед SO₂. Сера уравнена.
3. Справа теперь 6 атомов O в 2Fe₂O₃ и 16 атомов O в 8SO₂, всего 22. Значит, слева нужно 11O₂. Получаем 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂.
4. Проверим подсчёт: Fe — 4, S — 8, O — 22 с каждой стороны. Общего делителя у всех коэффициентов нет, поэтому они наименьшие целые.

Типичные ошибки

Ошибка — менять индекс в формуле, пытаясь получить нужное число атомов. Так поступают, когда смотрят только на подсчёт и забывают, что индекс определяет состав вещества. Проверяйте себя: если изменили нижнюю цифру в формуле, вы изменили вещество, а не уравняли реакцию. Оставляйте индексы как записаны и подбирайте коэффициент перед формулой.

Иногда коэффициент умножают только на один атом в сложной формуле. Это неверно: число перед всей формулой умножает количество атомов каждого элемента, включая те, у которых есть индексы. Например, 3H₂O содержит шесть атомов водорода и три атома кислорода. Для проверки перемножьте коэффициент на каждый индекс, а если индекса нет, считайте его равным единице.

Другая ошибка — считать формулу без числа перед ней как будто коэффициента у неё нет. На самом деле такой коэффициент равен 1, и его обязательно учитывают при подсчёте частиц и атомов. Иначе можно ошибочно решить, что в части уравнения вещества меньше или больше, чем есть на самом деле. Перед проверкой вслух подставьте единицу перед каждой формулой, где коэффициент не указан.

После уравнивания иногда оставляют коэффициенты, которые можно сократить на одно и то же число. Такое уравнение может сохранять атомы, но запись не будет приведена к наименьшим целым коэффициентам. Ошибку допускают, если заканчивают работу сразу после проверки атомов. Разделите все коэффициенты на их общий делитель, если он есть, и ещё раз убедитесь, что числа остаются целыми и уравнение сохраняет равенство атомов.

Связь с другими темами

Чтобы составлять уравнения, нужно знать химические формулы веществ и понимать, что означают индексы. Умение определять число атомов каждого элемента помогает проверять равенство левой и правой частей. Такая проверка основана на законе сохранения массы веществ: уравнение показывает его количественное применение к реакции. Позже уравнения понадобятся для расчётов по количеству реагентов и продуктов, а также при изучении типов химических реакций. Поэтому точное чтение формул и коэффициентов служит основой дальнейших тем химии.

Что запомнить

• В уравнении исходные вещества записывают слева, продукты реакции — справа.
• Число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым.
• Уравнивают реакции подбором коэффициентов перед формулами.
• Индексы в формулах при уравнивании не изменяют.
• Коэффициент 1 обычно не записывают.
• Коэффициенты в уравнении должны быть наименьшими целыми числами.