Химическое уравнение

Химическое уравнение

Химические уравнения.

Химическое уравнение – это условное изображение химической реакции с помощью химических формул веществ, числовых коэффициентов и математических символов.

При записи химических уравнений должен строго соблюдаться закон сохранения массы: массы вступивших в реакцию веществ, равны массе продуктов реакции.

Химическая реакция – процесс, при котором вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества – с другим составом и свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами – поглощением или выделением теплоты, изменениями агрегатного состояния и окраски веществ.

Необходимо соблюдать определённые правила составления химических уравнений.

Пример составления химического уравнения:

Fe2O3 + H2 = Fe + H2O

слева 2 атома Fe – справа 1 атом Fe (множитель 2)

слева 3 атома O – справа 1 атом O (множитель 3)

Затем подбирается коэффициент для H2O:

слева 2 атома H – справа 2 атома H (множитель 1), но т.к. справа 3 атома O, то множитель для H2O получаем 3. Н в правой части уравнения имеет множитель 6, для равновесия Н, в левой части используем множитель 3.

Итоговое химическое уравнение:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O,

Выпадение осадка в результате химической реакции обозначается в химическом уравнении стрелкой вниз ↓. Это означает, что соединение нерастворимо:

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓+ 2NaCl,

Выделение газа в результате химической реакции обозначается в химическом уравнении стрелкой вверх .

Zn + 2HCl = H2 + ZnCl2.

Виды химических реакций.

  • реакции соединения;
  • реакции разложения;
  • реакции замещения;
  • реакции обмена.

Реакции соединения: хотя бы два элемента образуют один продукт:

2Na + Cl2 → 2NaCl

Реакции разложения: вещество распадается на два или более простых элемента (соединения):

2H2O → 2H2 + O2

Реакция замещения: обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе:

Решение уравнений химический реакций вызывают затруднения у немалого количества учеников средней школы во-многом благодаря большому разнообразию участвующих в них элементов и неоднозначности их взаимодействия. Но так как основная часть курса общей химии в школе рассматривает именно взаимодействие веществ на основе их уравнений реакций, то ученикам необходимо обязательно ликвидировать пробелы в данной области и научиться решать химические уравнения, чтобы избежать проблем с предметом в дальнейшем.

Уравнением химической реакции называется символьная запись, отображающая взаимодействующие химические элементы, их количественное соотношение и получающиеся в результате взаимодействия вещества. Данные уравнения отражают сущность взаимодействия веществ с точки зрения атомно-молекулярного или электронного взаимодействия.

  1. В самом начале школьного курса химии учат решать уравнения на основе понятия валентности элементов периодической таблицы. На основе данного упрощения рассмотрим решение химического уравнения на примере окисления алюминия кислородом. Алюминий, взаимодействуя с кислородом, образует оксид алюминия. Обладая указанными исходными данными составим схему уравнения.
    Al + O2 → AlO
    В данном случае мы записали примерную схему химической реакции, которая лишь частично отражает ее сущность. В левой части схемы записываются вещества, вступающую в реакцию, а в правой результат их взаимодействия. Кроме того, кислород и другие типичные окислители, обычно записываются правее металлов и других восстановителей в обоих частях уравнения. Стрелка показывает направление реакции.
  2. Чтобы данная составленная схема реакции приобрела законченный вид и соответствовала закону сохранения массы веществ, необходимо:
    • Проставить индексы в правой части уравнения у вещества, получившегося в результате взаимодействия.
    • Уровнять количество участвующих в реакции элементов с количеством получившегося вещества в соответствии с законом сохранения массы веществ.
  3. Начнем с приостановки индексов в химической формуле готового вещества. Индексы устанавливаются в соответствии с валентностью химических элементов. Валентностью называют способность атомов образовывать соединения с другими атомами за счет соединения их неспаренных электронов, когда одни атомы отдают свои электроны, а другие присоединяют их себе на внешний энергетический уровень. Принято считать, что валентность химического элемента определяет его группой (колонкой) в периодической таблице Менделеева. Однако на практике взаимодействие химических элементов происходит гораздо сложнее и разнообразнее. Например, атом кислорода во всех реакциях имеет валентность Ⅱ, несмотря на то, что в периодической таблице находится в шестой группе.
  4. Чтобы помочь вам сориентироваться в этом многообразии, предлагаем вам следующий небольшой справочный помощник, который поможет определить валентность химического элемента. Выберите интересующий вас элемент и вы увидите возможные значения его валентности. В скобках указаны редкие для выбранного элемента валентности.
  5. Вернемся к нашему примеру. Запишем в правой части схемы реакции сверху над каждым элементом его валентность. AlⅢOⅡ Для алюминия Al валентность будет равна Ⅲ, а для молекулы кислорода O2 валентность равна Ⅱ. Находим наименьшее общее кратное к этим числам. Оно будет равно шести. Делим наименьшее общее кратное на валентность каждого элемента и получаем индексы. Для алюминия шесть делим на валентность получаем индекс 2, для кислорода 6/2=3. Химическая формула оксида алюминия, полученного в результате реакции, примет вид Al2O3. Al + O2 → Al2O3
  6. После получения правильной формулы готового вещества необходимо проверить и в большинстве случаев уравнять правые и левые части схемы согласно закона сохранения массы, так как продукты реакции образуются из тех же атомов, которые изначально входили в состав исходных веществ, участвующих в реакции.
  7. Закон сохранения массы гласит, что количество атомов вступивших в реакцию должно равняться количеству атомов получившихся в результате взаимодействия. В нашей схеме во взаимодействии участвуют один атом алюминия и два атома кислорода. В результате реакции получаем два атома алюминия и три кислорода. Очевидно, что схему необходимо уровнять, используя коэффициенты для элементов и вещества, чтобы соблюдался закон сохранения массы.
  8. Уравнивание выполняют также через нахождение наименьшего общего кратного, которое находится между элементами, обладающими наибольшими индексами. В нашем примере это будет кислород с индексом в правой части равным 3 и в левой части равным 2. Наименьшее общее кратное и в этом случае будет равно 6. Теперь разделим наименьшее общее кратное на значение наибольшего индекса в левой и правой частях уравнения и получим следующие индексы для кислорода.
    Al + 3∙O2 → 2∙Al2O3
  9. Теперь остается уравнять только алюминий в правой части. Для этого в левую часть поставим коэффициент 4.
    4∙Al + 3∙O2 = 2∙Al2O3
  10. После расстановки коэффициентов уравнение химической реакции соответствует закону сохранения массы и между его левой и правой частями можно поставить знак равенства. Расставленные коэффициенты в уравнении обозначают число молекул веществ, участвующих в реакции и получающихся в результате нее, или соотношение данных веществ в молях.

После выработки навыков решения химических уравнений на основе валентностей взаимодействующих элементов, школьный курс химии знакомит с понятием степени окисления и теорией окислительно-восстановительных реакций. Данный тип реакций является наиболее распространенным и в дальнейшем химические уравнения чаще всего решают на основе степеней окисления взаимодействующих веществ. О том, как решать окислительно-восстановительные реакции рассказано в соответствующей статье на нашем сайте.

История

Титульный лист Tyrocinium Chymicum

В начале не было представления о химических уравнениях, ещё не были известны основные химические законы, но уже в алхимический период развития химии начали обозначать химические элементы символами.

С дальнейшим развитием химии менялись представления о символике химических элементов,ской записи, используя химические формулы. Первым предложил использовать химические уравнения Жан Бегун (Jean Beguin) в 1615 году в одном из первых учебников по химии Tyrocinium Chymicum («Начала химии»).

Конец XVIII—начало XIX вв. — становление законов стехиометрии. У истоков этих исследований стоял немецкий ученый И. В. Рихтер. В студенческие годы на него большое впечатление произвели слова его учителя — философа И. Канта о том, что в отдельных направлениях естественных наук истинной науки столько, сколько в ней математики. Рихтер посвятил свою диссертацию использованию математики в химии. Не будучи в сущности химиком, Рихтер ввел первые количественные уравнения химических реакций, стал использовать термин стехиометрия.

Правила составления

Для составления уравнений химических реакций, кроме знания формул реагентов и продуктов реакции, необходимо верно подобрать коэффициенты. Это можно сделать, используя несложные правила. В левой части уравнения записывают формулы (формулу) веществ, вступивших в реакцию, соединяя их знаком «плюс». В правой части уравнения записывают формулы(формулу) образовавшихся веществ, также соединенных знаком «плюс». Между частями уравнения ставят знак равенства или стрелку. Затем находят коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ, чтобы число атомов одинаковых элементов в левой и правой частях уравнения было равным.

Для обозначения различных типов реакций используются следующие символы:

  • » = {\displaystyle =} » используется в том случае, когда соблюдено стехиометрическое соотношение.
  • » → {\displaystyle \rightarrow } » используется для обозначений прямой реакции.
  • » ⇄ {\displaystyle \rightleftarrows } » используется для обозначения реакции, протекающей в обоих направлениях.
  • » ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons } » используется для обозначения химического равновесия.

Закон сохранения массы гласит, что количество вещества каждого элемента до реакции равняется количеству вещества каждого элемента после реакции. Таким образом, левая и правая части химического уравнения должны иметь одинаковое количество атомов того или иного элемента. Химическое уравнение должно быть электронейтрально, то есть сумма зарядов в левой и правой части уравнения должна равняться нулю.

Как правило, химические уравнения записываются с наименьшими целочисленными коэффициентами. В случае, если перед химической формулой нет коэффициента, подразумевается что он равен единице. Проверка материального баланса, то есть количества атомов с левой и правой части, может быть следующей: перед самой сложной химической формулой ставится коэффициент 1. Далее расставляются коэффициенты перед формулами таким образом, что бы количество атомов каждого из элементов в левой и правой части уравнения было равно. Если один из коэффициентов — дробный, то следует умножить все коэффициенты на число стоящее в знаменателе дробного коэффициента. Если перед формулой коэффициент 1, то его опускают.

Одним из способов уравнивания количества атомов в химическом уравнении является подбор коэффициентов.

Расстановка коэффициентов в химической реакции горения метана:

1CH4 + O2 → {\displaystyle \rightarrow }CO2 + H2O

Количество атомов углерода с левой и правой сторон одинаково. Следующий элемент, который следует уравнять — водород. Слева 4 атома водорода, справа 2, чтобы уравнять количество атомов водорода следует поставить коэффициент 2 перед водой, в результате:

1CH4 + O2 → {\displaystyle \rightarrow }CO2 + 2H2O

Проверка правильности расстановки коэффициентов в любом химическом уравнении производится подсчетом количества атомов кислорода, если в левой и правой части количество атомов кислорода одинаково, значит коэффициенты расставлены правильно.

1CH4 + 2O2 → {\displaystyle \rightarrow }CO2 + 2H2O

Перед молекулами CH4 и CO2 коэффициент 1 опускают.

CH4 + 2O2 → {\displaystyle \rightarrow }CO2 + 2H2O

Для более сложных случаев применяются математический метод уравнивания реакций с помощью составления системы линейных алгебраических уравнений и метод Гарсиа (аналог математического метода Гаусса).

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции — это встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем. Любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

При составлении уравнения окислительно-восстановительной реакции необходимо определить восстановитель, окислитель и число отдаваемых и принимаемых электронов. Как правило, коэффициенты подбирают, используя либо метод электронного баланса, либо метод электронно-ионного баланса (иногда последний называют методом полуреакций).

Запись ионных уравнений

Ионные уравнения — это химические уравнения, в которых электролиты записаны в виде диссоциировавших ионов. Ионные уравнения используются для записи реакций замещения и реакций обмена в водных растворах. Пример, реакция обмена, взаимодействие хлорида кальция и нитрата серебра с образованием осадка хлорида серебра:

CaCl2(ж) + 2AgNO3(ж) → {\displaystyle \rightarrow }Ca(NO3)2(ж) + 2AgCl(тв)

полное ионное уравнение:

Ca2+ + 2Cl− + 2Ag+ + 2NO3− → {\displaystyle \rightarrow }Ca2+ + 2NO3− + 2AgCl(тв)

Школьная химия — легко! Химические уравнения

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ Еще задолго до нашей эры ученые высказывали мысль, что в природе сохраняется все существующее: «Нет рождения из ничего и нет уничтожения в ничто, есть только превращения четырех вечных элементов: огня, воздуха, воды и земли,» — так писал древнегреческий философ Эмпедокл. Но в то время это было лишь гениальной догадкой, не подтвержденной опытом, т.к. весами в то время ученые-химики еще не пользовались. При химических реакциях молекулы новых веществ образуются из тех же атомов, которые получились при разрушении молекул исходных веществ Атомы при химических реакциях сохраняются, поэтому должна сохраняться и общая их масса. Следовательно, продукты реакции должны иметь такую же массу, как и исходные вещества в сумме. Не всегда это подтверждается опытом. Так, если нагревать на воздухе серу, она может исчезнуть совсем, а если прокаливать железо, то масса полученной окалины окажется больше массы железа, взятого для реакции. В чем же дело? Первым простое и правильное решение нашел Ломоносов. Он прокаливал вещества не на воздухе, а в ретортах — запаянных сосудах. Масса сосуда с веществом не менялась. Если же перед взвешиванием после опыта Ломоносов отламывал кончик реторты и взвешивал ее вместе с ним, то общая их масса оказывалась больше первоначальной. Оказывается, при прокаливании металла часть воздуха внутри сосуда взаимодействует с металлом и увеличивает его массу. При отламывании же кончика на место затраченного воздуха поступает воздух снаружи. Отсюда и увеличение массы сосуда с металлом. Как видите, ученые были правы, утверждая, что ничто не исчезает бесследно и не возникает из ничего. Ломоносов, развивая эту идею, писал: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если что-то к чему-то прибавится, то это отнимается от чего-то другого». Этот закон Ломоносов широко применял в своих работах. Спустя многие годы закон был подтвержден исследованиями и других химиков. Сейчас этот закон читается так: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе получившихся веществ. УРАВНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Мы привыкли считать, что уравнение — это математический пример, где есть неизвестное, и это неизвестное нужно вычислить. А вот в химическом уравнении обычно ничего неизвестного не бывает: в нем просто записывается формулами, какие вещества вступают в реакцию и какие получается в ходе этой реакции. Самое простое уравнение реакции мы с вами уже писали: Fe + S → FeS Уравнение нужно уметь не только записать, но и прочитать. Это уравнение читается так: молекула железа взаимодействует с молекулой серы, получается одна молекула сульфида железа (П). Самое трудное в написании уравнения реакции — составить формулы продуктов реакции, т.е. образующихся веществ. Здесь правило только одно: формулы молекул строятся строго по валентности составляющих их элементов. Если ты забыл, как это сделать — загляни в тему «Валентность». Кроме того, при составлении уравнений реакций надо помнить о законе сохранения массы веществ: все атомы молекул исходных веществ должны войти в состав молекул продуктов реакции. Ни один атом не должен исчезнуть или неожиданно появиться. Поэтому иногда, записав все формулы в уравнении реакции, приходится выравнивать число атомов в каждой части уравнения — расставлять коэффициенты. Вот пример: С + 02 → СО2 Здесь у каждого элемента одинаковое число атомов и в правой, и в левой части уравнения. Уравнение готово. Cu + O2 → CuO А здесь атомов кислорода в левой части уравнения больше, чем в правой. Нужно, чтобы получилось столько молекул оксида меди CuO, чтобы в них оказалось столько же атомов кислорода, т.е. 2. Поэтому перед СuО ставим коэффициент 2: Сu + O2 → 2CuO Теперь неодинаково число атомов меди. В левой части уравнения перед знаком меди ставим коэффициент 2: 2Cu + O2 → 2CuO Посчитай, поровну ли атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения? Если да, то уравнение реакции составлено правильно. Еще один пример: Al + O2 → Al2O3 И здесь атомов каждого элемента разное количество до реакции и после нее. Выравнивать начинаем с газа — с молекул кислорода: 1)Слева 2 атома кислорода, а справа 3. Ищем наименьшее общее кратное двух этих чисел. Это наименьшее число, которое делится и на 2, и на 3, т.е. 6. Перед формулами кислорода и оксида алюминия Al2O3 ставим такие коэффициенты, чтобы общее число атомов кислорода в этих молекулах было 6: Al + 3O2 → 2Al2O3 2)Считаем число атомов алюминия: слева 1 атом, а справа в двух молекулах по 2 атома, т.е. 4. Перед знаком алюминия в левой части уравнения ставим коэффициент 4: 4Al + 3O2 → 2Al2O3 З)Еще раз пересчитываем все атомы до реакции и после нее: по 4 атома алюминия и по 6 атомов кислорода. Все в порядке, уравнение реакции составлено верно. А если реакция идет при нагревании, то над стрелкой дополнительно ставится знак t. Уравнение химической реакции — это запись хода химической реакции с помощью химических Формул и коэффициентов. Упражнения для самопроверки 1.Расставь коэффициенты в уравнениях реакций: Na + S → Na2S C + H2 → CH4 Mg + O2 → MgO Na + Cl2 → NaC1 A1 + S → Al2S3 H2 + O2 → H2O Fe + O2 → Fe3O4 Al + Cl2 → AlCl3 P + O2 → P2O5 Ag + O2 → Ag2O Прочитай полученные уравнения. 2.Перепиши уравнения реакций, вместо пропусков вставь формулы веществ и, если нужно, коэффициенты: 2Cu + . . . → CuO . . . + O2 → P2O3 . . . + . . . → Al2S3 . . . + Cl2 → NaCl . . . + . . . → K3P . . . + . . . → CS2 Автор рассылки Кузьмина Татьяна Юрьевна, astera52@mai.ru Интернет-репетиторство astera52@mai.ru Пишите письма, задавайте вопросы. До встречи через неделю.

В избранное


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *