§ 17. Запись химической реакции

Определения и обозначения

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью формул веществ и знака равенства или стрелки. Оно сообщает, какие вещества вступают в реакцию и какие получаются, а коэффициенты помогают показать соотношение между их частицами. По уравнению можно проверить, соблюдается ли сохранение числа атомов каждого элемента.

Реагент — исходное вещество, вступающее в химическую реакцию. Его формулу записывают в левой части уравнения, до знака реакции. Это позволяет сразу отделить вещества, которые изменяются, от тех, которые образуются.

Продукт реакции — вещество, образующееся в результате химической реакции. Формулу продукта записывают справа от знака реакции. Сравнив правую и левую части, можно увидеть, во что превратились исходные вещества.

Коэффициент — число перед формулой вещества, которое указывает число его частиц в записи реакции. Он относится ко всей формуле, а не к одному выбранному элементу. С помощью коэффициентов уравнивают число атомов по обе стороны записи, не меняя состав самих веществ.

Как это устроено

Формулы реагентов располагают слева, а формулы продуктов — справа; стрелка или знак равенства отделяет исходные вещества от образовавшихся. Такое расположение напоминает ход превращения: слева указано, что вступило в реакцию, справа — что получилось. Если реагентов или продуктов несколько, их формулы разделяют знаком «+». Знак реакции показывает связь между двумя частями записи, а не равенство самих веществ.

При составлении уравнения формулы веществ нельзя менять, потому что индексы показывают состав частицы. Например, O₂ — молекула кислорода из двух атомов, а изменение индекса создало бы запись другого состава. Коэффициент действует иначе: он задаёт число частиц, не меняя каждую частицу изнутри. Поэтому уравнивают реакцию только коэффициентами перед формулами.

Число атомов каждого элемента до и после реакции должно совпадать, поскольку атомы не исчезают и не возникают. Во время реакции они перегруппировываются и входят в состав новых веществ. Значит, в правильно составленном уравнении для каждого элемента можно насчитать одинаковое число атомов слева и справа. Если числа не совпали, запись ещё не уравнена.

Чтобы уравнять запись, считают атомы каждого элемента сначала слева, затем справа и подбирают коэффициенты. Удобно записать или мысленно отметить, сколько атомов каждого элемента содержится в формулах. Затем выбирают коэффициент, который выравнивает количество атомов, и снова проверяют остальные элементы. Если коэффициент изменил общее число атомов в формуле, пересчитать нужно все элементы этой формулы.

После подбора коэффициентов их приводят к наименьшим целым числам, потому что одинаковое общее множимое не меняет соотношение частиц. Если все коэффициенты можно разделить на одно и то же целое число, запись ещё можно упростить. Коэффициент 1 обычно не пишут: отсутствие числа перед формулой означает, что её берут один раз. В конце проверяют атомы каждого элемента и то, что формулы не изменились.

Элементы записи химической реакции

Сначала по таблице определите, где находятся реагенты и продукты, а затем найдите коэффициенты и индексы. При проверке уравнения считайте атомы с учётом обоих видов чисел: индекс задаёт состав частицы, коэффициент — количество таких частиц. Если числа атомов не совпадают, подбирайте коэффициенты, не трогая формулы.

Разбор задач

Реакция магния с кислородом

Условие: записать реакцию соединения магния с кислородом и расставить коэффициенты: Mg + O₂ → MgO. Слева записаны магний и кислород, справа — оксид магния. Сначала сравним число атомов кислорода: слева их два, а в одной частице MgO справа — один. Поэтому перед MgO нужно поставить коэффициент 2.

1. Записываем 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO. Теперь справа два атома кислорода и два атома магния.
2. Чтобы уравнять магний, ставим 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. Индексы в формулах оставляем прежними.
3. Проверяем запись: с обеих сторон два атома Mg и два атома O. Коэффициенты уже наименьшие целые.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Подсчёт показывает, почему недостаточно уравнять только кислород: коэффициент перед продуктом одновременно увеличил число атомов магния справа.

Реакция железа с серой

Условие: уравнять реакцию железа с серой: Fe + S → FeS. В каждой формуле указан один атом соответствующего элемента. Поэтому сначала проверим обе части, а не будем заранее добавлять коэффициенты. Здесь состав каждой части уже совпадает по железу и сере.

1. Считаем железо: один атом Fe слева и один атом Fe в FeS справа.
2. Считаем серу: один атом S слева и один атом S в FeS справа.
3. Оба элемента уравнены, следовательно, коэффициенты равны единице и не записываются.

Ответ: Fe + S → FeS. Отсутствие коэффициента означает, что каждую формулу берут один раз. Добавлять перед формулами единицы не требуется.

Реакция алюминия с кислородом

Условие: уравнять реакцию алюминия с кислородом: Al + O₂ → Al₂O₃. Кислород присутствует в обеих частях, причём его число справа равно трём, а слева — двум. Чтобы уравнять кислород, удобно получить общее число атомов 6: для этого нужны 3 молекулы O₂ и 2 формульные единицы Al₂O₃. После этого остаётся подсчитать алюминий.

1. Ставим 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃: Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Теперь по обе стороны по 6 атомов кислорода.
2. Справа в двух Al₂O₃ содержатся 4 атома алюминия, поэтому ставим 4 перед Al: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
3. Проверяем: слева и справа по 4 атома Al и по 6 атомов O. Общего множителя у коэффициентов нет.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Коэффициенты 4, 3 и 2 — наименьшие целые числа, при которых число атомов обоих элементов совпадает.

Типичные ошибки

• Меняют индекс в формуле, чтобы сравнять число атомов. Так меняют состав вещества, а не только запись реакции; ошибка часто возникает из-за желания исправить цифру рядом с нужным элементом. Проверьте, что все исходные формулы сохранены, а числа менялись только перед ними.
• Считают коэффициент только для одного атома формулы, хотя он умножает число всех атомов в ней. Это случается, когда внимание сосредоточено на элементе, который уравнивают в данный момент. Для проверки умножьте на коэффициент количество каждого элемента, указанное в формуле.
• Забывают, что индекс 2 означает два атома соответствующего элемента, например в O₂. Это приводит к ошибочному подсчёту и лишним коэффициентам. Перед уравниванием выпишите число атомов каждого элемента в формулах отдельно слева и справа.
• Оставляют коэффициенты с общим множителем или записывают коэффициент 1. Такую запись получают, если забывают проверить, можно ли сократить все числа, или считают, что единица обязательна. Разделите коэффициенты на их общий делитель, если он есть, а единицы перед формулами опустите.

Связь с другими темами

Для записи уравнений нужно знать химические формулы веществ, читать индексы и считать атомы каждого элемента. Эти умения помогают отличать число атомов в одной частице от общего числа атомов в нескольких частицах. Если формулы прочитаны неверно, правильно подобрать коэффициенты не получится.

Уравнения пригодятся при изучении типов химических реакций: по записи можно увидеть, какие вещества соединяются или какие продукты образуются. Позже по коэффициентам и формулам выполняют расчёты количеств веществ. Поэтому навык уравнивания связывает описание превращений с решением химических задач.

Что запомнить

• Реагенты записывают слева, продукты реакции — справа.
• Уравнение должно отражать сохранение числа атомов каждого элемента.
• Для уравнивания меняют коэффициенты, но не индексы.
• Коэффициент относится ко всей формуле вещества.
• Коэффициенты в окончательной записи — наименьшие целые числа.
• Коэффициент 1 обычно не пишут.