§ 18. Уравнения химических реакций

Определения и обозначения

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью формул реагентов и продуктов. Оно передаёт качественный состав: какие вещества участвуют и образуются, а также количественный состав: в каком отношении участвуют их частицы. Такая запись нужна, чтобы точно описывать реакцию и проверять сохранение атомов.

Реагенты — вещества, вступающие в химическую реакцию. Их формулы записывают в левой части уравнения, перед стрелкой. По реагентам можно понять, из каких исходных веществ начинается превращение.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в результате превращения реагентов. Их записывают в правой части уравнения, после стрелки. Эта часть показывает результат реакции и состав новых веществ.

Коэффициент — число перед формулой вещества, показывающее отношение количества его частиц к количеству других частиц в уравнении. Он относится ко всей формуле и умножает число атомов каждого элемента в ней. Коэффициенты нужны, чтобы уравнять число атомов слева и справа.

Как это устроено

Сначала реакцию можно описать словами: водород реагирует с кислородом, образуется вода. Затем названия заменяют химическими формулами, а между исходными и получившимися веществами ставят стрелку: H₂ + O₂ → H₂O. Стрелка направлена от реагентов к продукту, потому что показывает превращение исходных веществ в новые.

Формулы веществ в уравнении менять нельзя, поскольку индексы показывают состав частиц. Например, H₂O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а H₂O₂ имеет уже другой состав и является другим веществом. Поэтому при уравнивании сохраняют формулы, установленные условием реакции.

Уравнение должно быть уравнено из-за сохранения атомов при химическом превращении. Атомы не исчезают и не возникают заново, а только соединяются в другом порядке. Значит, атомов каждого элемента слева и справа от стрелки должно быть одинаковое количество; это соответствует закону сохранения массы веществ.

Коэффициенты подбирают сравнением числа атомов каждого элемента по обе стороны стрелки. Если атомов кислорода справа меньше или больше, меняют коэффициент перед подходящей формулой, а не её индекс, затем снова пересчитывают все элементы. В конце коэффициенты приводят к наименьшему целочисленному отношению: коэффициент 1 не пишут, а 2, 3 и другие числа записывают явно.

Элементы химического уравнения и правила записи

Таблица помогает быстро определить роль каждой части записи. При проверке уравнения двигайтесь от формул к стрелке, а затем сравнивайте число атомов, учитывая и коэффициенты, и индексы. Пример показывает, как конкретный элемент записи выглядит в уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Разбор задач

1. Водород и кислород

Условие: составьте уравнение реакции водорода с кислородом, если образуется вода. Формулы веществ будут H₂, O₂ и H₂O. Нужно подобрать коэффициенты, не изменяя индексы.

1. Записываем схему реакции: H₂ + O₂ → H₂O.
2. Справа один атом кислорода, а слева в молекуле O₂ два атома, поэтому ставим 2 перед водой: H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Теперь справа четыре атома водорода, значит, ставим 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Проверка даёт по четыре атома водорода и по два атома кислорода с каждой стороны.

2. Магний и кислород

Условие: расставьте коэффициенты в записи Mg + O₂ → MgO. Молекула кислорода содержит два атома кислорода, тогда как одна формульная единица MgO содержит один такой атом. Поэтому сначала уравняем кислород, а затем магний.

1. Ставим 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO.
2. Справа теперь два атома магния, поэтому ставим 2 перед Mg.
3. Получаем 2Mg + O₂ → 2MgO и проверяем оба элемента.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Магния и кислорода по два атома с каждой стороны.

3. Алюминий и кислород

Условие: составьте уравнение реакции алюминия с кислородом, если образуется Al₂O₃. В этой формуле два атома алюминия и три атома кислорода, поэтому один коэффициент не уравняет сразу оба элемента. Ищем наименьшее общее количество атомов кислорода для O₂ и Al₂O₃.

1. Наименьшее общее кратное для 2 и 3 равно 6, поэтому ставим 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃.
2. Справа образуется четыре атома алюминия, значит, ставим 4 перед Al.
3. Получаем 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; коэффициенты уже нельзя сократить.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С обеих сторон четыре атома алюминия и шесть атомов кислорода.

Типичные ошибки

Одна из ошибок — менять индекс вместо коэффициента. Так поступают, когда пытаются быстро сравнять число атомов, но изменение индекса создаёт другое вещество. Проверьте себя: при уравнивании все нижние индексы должны остаться такими же.

Иногда сравнивают число молекул, а не число атомов элементов. Это неверно, потому что одна молекула может содержать два атома элемента, а другая — один или три. Составьте подсчёт отдельно для каждого элемента по обе стороны стрелки.

Ещё одна ошибка — не учитывать индекс: например, в 3H₂ содержится шесть атомов водорода, а не три. Коэффициент умножает весь состав формулы, поэтому нужно перемножать его на каждый индекс. После подсчёта отметьте число атомов каждого элемента отдельно.

Наконец, ученик может проверить только один элемент или оставить коэффициенты 2, 4 и 6, если их можно сократить. Пересчитайте все элементы и разделите коэффициенты на общий делитель, когда это возможно. Правильная запись имеет наименьшее целочисленное отношение коэффициентов.

Связь с другими темами

Для составления уравнений нужны знания химических символов элементов, формул веществ и умение считать атомы по формуле. Без этого нельзя правильно записать ни реагенты, ни продукты.

Уравнивание связано с законом сохранения массы веществ: атомы сохраняются во время реакции. Позже уравнения понадобятся для изучения типов реакций и расчётов по количеству веществ.

Что запомнить

• Слева от стрелки записывают реагенты, справа — продукты реакции.
• Формулы веществ при уравнивании не изменяют.
• Коэффициент относится ко всей формуле, стоящей после него.
• Коэффициент умножает число атомов каждого элемента в формуле.
• Число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым.
• Коэффициенты записывают в наименьшем целочисленном отношении.