Химия для чайников с нуля, основы химии | HIMI4KA
Oтзывы и предложения

Урок 13. Составление химических уравнений

Нравится9

В уроке 13 «Составление химических уравнений» из курса «Химия для чайников» рассмотрим для чего нужны химические уравнения; научимся уравнивать химические реакции, путем правильной расстановки коэффициентов. Данный урок потребует от вас знания химических основ из прошлых уроков. Обязательно прочитайте об элементном анализе, где подробно рассмотрены эмпирические формулы и анализ химических веществ.

Составление химических уравнений

Химическое уравнение

В результате реакции горения метана CH4 в кислороде O2 образуются диоксид углерода CO2 и вода H2O. Эта реакция может быть описана химическим уравнением:

  • CH4 + O2 → CO2 + H2O (1)

Попробуем извлечь из химического уравнения больше сведений, чем просто указание продуктов и реагентов реакции. Химичекое уравнение (1) является НЕполным и потому не дает никаких сведений о том, сколько молекул O2 расходуется в расчете на 1 молекулу CH4 и сколько молекул CO2 и H2O получается в результате. Но если записать перед соответствующими молекулярными формулами численные коэффициенты, которые укажут сколько молекул каждого сорта принимает участие в реакции, то мы получим полное химическое уравнение реакции.

Для того, чтобы завершить составление химического уравнения (1), нужно помнить одно простое правило: в левой и правой частях уравнения должно присутствовать одинаковое число атомов каждого сорта, поскольку в ходе химической реакции не возникает новых атомов и не происходит уничтожение имевшихся. Данное правило основывается на законе сохранения массы, который мы рассмотрели в начале главы.

Уравнивание химических реакций

Уравнивание химических реакций нужно для того, чтобы из простого химического уравнения получить полное. Итак, перейдем к непосредственному уравниванию реакции (1): еще раз взгляните на химическое уравнение, в точности на атомы и молекулы в правой и левой части. Нетрудно заметить, что в реакции участвуют атомы трех сортов: углерод C, водород H и кислород O. Давайте подсчитаем и сравним количество атомов каждого сорта в правой и левой части химического уравнения.

Уравнивание химических реакций

Начнем с углерода. В левой части один атом С входит в состав молекулы CH4, а в правой части один атом С входит в состав CO2. Таким образом в левой и в правой части количество атомов углерода совпадает, поэтому его мы оставляем в покое. Но для наглядности поставим коэффициент 1 перед молекулами с углеродом, хоть это и не обязательно:

  • 1CH4 + O2 → 1CO2 + H2O (2)

Затем переходим к подсчету атомов водорода H. В левой части присутствуют 4 атома H (в количественном смысле H4 = 4H) в составе молекулы CH4, а в правой – всего 2 атома H в составе молекулы H2O, что в два раза меньше чем в левой части химического уравнения (2). Будем уравнивать! Для этого поставим коэффициент 2 перед молекулой H2O. Вот теперь у нас и в реагентах и в продуктах будет по 4 молекулы водорода H:

  • 1CH4 + O2 → 1CO2 + 2H2O (3)

Обратите свое внимание, что коэффициент 2, который мы записали перед молекулой воды H2O для уравнивания водорода H, увеличивает в 2 раза все атомы, входящие в ее состав, т.е 2H2O означает 4H и 2O. Ладно, с этим вроде бы разобрались, осталось подсчитать и сравнить количество атомов кислорода O в химическом уравнении (3). Сразу бросается в глаза, что в левой части атомов O ровно в 2 раза меньше чем в правой. Теперь-то вы уже и сами умеете уравнивать химические уравнения, поэтому сразу запишу финальный результат:

  • 1CH4 + 2O2 → 1CO2 + 2H2O или СH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (4)

Как видите, уравнивание химических реакций не такая уж и мудреная штука, и важна здесь не химия, а математика. Уравнение (4) называется полным уравнением химической реакции, потому что в нем соблюдается закон сохранения массы, т.е. число атомов каждого сорта, вступающих в реакцию, точно совпадает с числом атомов данного сорта по завершении реакции. В каждой части этого полного химического уравнения содержится по 1 атому углерода, по 4 атома водорода и по 4 атома кислорода. Однако стоит понимать пару важных моментов: химическая реакция - это сложная последовательность отдельных промежуточных стадий, и потому нельзя к примеру истолковывать уравнение (4) в том смысле, что 1 молекула метана должна одновременно столкнуться с 2 молекулами кислорода. Процессы происходящие при образовании продуктов реакции гораздо сложнее. Второй момент: полное уравнение реакции ничего не говорит нам о ее молекулярном механизме, т.е о последовательности событий, которые происходят на молекулярном уровне при ее протекании.

Коэффициенты в уравнениях химических реакций

Еще один наглядный пример того, как правильно расставить коэффициенты в уравнениях химических реакций: Тринитротолуол (ТНТ) C7H5N3O6 энергично соединяется с кислородом, образуя H2O, CO2 и N2. Запишем уравнение реакции, которое будем уравнивать:

  • C7H5N3O6 + O2 → CO2 + H2O + N2 (5)

Проще составлять полное уравнение, исходя из двух молекул ТНТ, так как в левой части содержится нечетное число атомов водорода и азота, а в правой - четное:

  • 2C7H5N3O6 + O2 → CO2 + H2O + N2 (6)

Тогда ясно, что 14 атомов углерода, 10 атомов водорода и 6 атомов азота должны превратиться в 14 молекул диоксида углерода, 5 молекул воды и 3 молекулы азота:

  • 2C7H5N3O6 + O2 → 14CO2 + 5H2O + 3N2 (7)

Теперь в обеих частях содержится одинаковое число всех атомов, кроме кислорода. Из 33 атомов кислорода, имеющихся в правой части уравнения, 12 поставляются двумя исходными молекулами ТНТ, а остальные 21 должны быть поставлены 10,5 молекулами O2. Таким образом полное химическое уравнение будет иметь вид:

  • 2C7H5N3O6 + 10,5O2 → 14CO2 + 5H2O + 3N2 (8)

Можно умножить обе части на 2 и избавиться от нецелочисленного коэффициента 10,5:

  • 4C7H5N3O6 + 21O2 → 28CO2 + 10H2O + 6N2 (9)

Но этого можно и не делать, поскольку все коэффициенты уравнения не обязательно должны быть целочисленными. Правильнее даже составить уравнение, исходя из одной молекулы ТНТ:

  • C7H5N3O6 + 5,25O2 → 7CO2 + 2,5H2O + 1,5N2 (10)

Полное химическое уравнение (9) несет в себе много информации. Прежде всего оно указывает исходные вещества - реагенты, а также продукты реакции. Кроме того, оно показывает, что в ходе реакции индивидуально сохраняются все атомы каждого сорта. Если умножить обе части уравнения (9) на число Авогадро NA=6,022·1023, мы сможем утверждать, что 4 моля ТНТ реагируют с 21 молями O2 с образованием 28 молей CO2, 10 молей H2O и 6 молей N2.

Есть еще одна фишка. При помощи таблицы Менделеева определяем молекулярные массы всех этих веществ:

C7H5N3O6 = 227,13 г/моль

O2 = 31,999 г/моль

CO2 = 44,010 г/моль

H2O = 18,015 г/моль

N2 = 28,013 г/моль

Теперь уравнение 9 укажет еще, что 4·227,13 г = 908,52 г ТНТ требуют для осуществления полной реакции 21·31,999 г = 671,98 г кислорода и в результате образуется 28·44,010 г = 1232,3 г CO2, 10·18,015 г = 180,15 г H2O и 6·28,013 г = 168,08 г N2. Проверим, выполняется ли в этой реакции закон сохранения массы:

  Реагенты Продукты
  908,52 г ТНТ 1232,3 г CO2
  671,98 г CO2 180,15 г H2O
    168,08 г N2
Итого 1580,5 г 1580,5 г

 

Но необязательно в химической реакции должны участвовать индивидуальные молекулы. Например, реакция известняка CaCO3 и соляной кислоты HCl, с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl2 и диоксида углерода CO2:

  • CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O (11)

Химическое уравнение (11) описывает реакцию карбоната кальция CaCO3 (известняка) и хлористоводородной кислоты HCl с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl2 и диоксида углерода CO2. Это уравнение полное, так как число атомов каждого сорта в его левой и правой частях одинаково.

Смысл этого уравнения на макроскопическом (молярном) уровне таков: 1 моль или 100,09 г CaCO3 требует для осуществления полной реакции 2 моля или 72,92 г HCl, в результате чего получается по 1 молю CaCl2 (110,99 г/моль), CO2 (44,01 г/моль) и H2O (18,02 г/моль). По этим численным данным нетрудно убедиться, что в данной реакции выполняется закон сохранения массы.

Интерпретация уравнения (11) на микроскопическом (молекулярном) уровне не столь очевидна, поскольку карбонат кальция представляет собой соль, а не молекулярное соединение, а потому нельзя понимать химическое уравнение (11) в том смысле, что 1 молекула карбоната кальция CaCO3 реагирует с 2 молекулами HCl. Тем более молекула HCl в растворе вообще диссоциирует (распадается) на ионы H+ и Cl-. Таким образом более правильным описанием того, что происходит в этой реакции на молекулярном уровне, дает уравнение:

  • CaCO3(тв.) + 2H+(водн.) → Ca2+(водн.) + CO2(г.) + H2O(ж.) (12)

Здесь в скобках сокращенно указано физическое состояние каждого сорта частиц (тв. - твердое, водн. - гидратированный ион в водном растворе, г. - газ, ж. - жидкость). 

Уравнение (12) показывает, что твердый CaCO3 реагирует с двумя гидратированными ионами H+, образуя при этом положительный ион Ca2+, CO2 и H2O. Уравнение (12) как и другие полные химические уравнения не дает представления о молекулярном механизме реакции и менее удобно для подсчета количества веществ, однако, оно дает лучшее описание происходящего на микроскопическом уровне.

 

Закрепите полученные знания о составлении химических уравнений, самостоятельно разобрав пример с решением:

 

Надеюсь из урока 13 «Составление химических уравнений» вы узнали для себя что-то новое. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к уроку 14 «Выход продукта реакции».

Комментарии 2   Просмотров 5 316
Понравился урок? 9Нравится
Lesser_Gin

Разве коэффициент не должен быть целочисленным в большинстве случаев? Если мы считаем не атомы, а моли атомов, то дробный коэффициент выглядит нормально. Но если мы применим тот же коэффициент непосредственно к атому, то получится абсурд. Я понимаю, что атом не является неделимой единицей, но я не могу представить себе, например, половину атома, обладающую свойством целого атома.

Кластер

 В даблице ошибка. В столбце реагентов во второй строке написано 671,98 г CO2, но речь ведь идет про кискород, а не диоксид углерода. 

Ваш комментарий: