Самоучитель

Электронный учебник, в котором изложены основы химии для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по химии и не только.

ЕГЭ и ОГЭ

Теоретическая часть и тестовые зада­ния для подготовки к экзаменам.

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

Урок 13. Составление химических уравнений

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.

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:

РеагентыПродукты
908,52 г ТНТ1232,3 г CO2
671,98 г CO2180,15 г H2O
168,08 г N2
Итого1580,5 г1580,5 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:

коэффициенты в уравнениях химических реакций

Надеюсь из урока 13 «Составление химических уравнений» вы узнали для себя что-то новое. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

avatar
480
Daniel
Daniel

Слишком много ошибок:
1) на молекулярном уровне агрегатных состояний не существует — нет ни твёрдых, ни жидких, ни растворов; все это есть только для крупных порций частиц
2) интерпретация на молекулярном уровне реакции ионов заключается в том, что молекул нет, а ион такой-то реагирует с ионом таким-то
3) нет никаких «неполных уравнений», чем пудрить мозги, стоит говорить им как есть: есть схемы реакций и есть уравнения реакций.
4) нет нужды ставить чётные коэффициенты

Людмила
Людмила

Изложение материала очень плохое.Много лишних слов и даже понятий, логика нечёткая, краткости нет ,много лишних слов…
Преподаватель не очень умён. Сожалею… Поищу другого.

Олег
Олег

Это все понятно, я зашёл на сайт не за этим, я хотел понять почему в результате множества реакций появляются те или иные вещества и как научится понимать когда какой продукт будет образовываться. И я щас не говорю про взаимодействие водорода и кислорода с образованием воды или любую другую реакцию. Я говорю про реакции с пермангиюанатом калия, продуктами которого являются несколько веществ и вот это я не понимаю, как понять что когда тюи как будкюет образовываться. Или что,уч

Стас Хомяковски
Стас Хомяковски

Это ОВР-ки. Если среда кислая, то из перманганата калия образуются две соли: сульфат калия и сульфат марганца. Если среда нейтральная, то образуется коричневый осадок оксида марганца (4) и гидроксид калия. Если среда щелочная, то тогда манганат калия образуется. А вот по поводу продукта, там надо смотреть по схеме окисления в-в.

Daniel
Daniel

Часть 1. А вот нет простого ответа. Схемы реакций — это констатации экспериментальных фактов (чаще) или наших гипотез (реже). Просто химик такой-то в лаборатории провёл опыт, точно измерил (скажем, спектроскопией), что было и что стало, записал условия (T, p, р-тель, катализаторы, соотношение концентраций, напряжение, время, взбалтывание и размешивание, освещение, агрегатные состояния, а ещё — показания калориметра), и опубликовал. Вот и схема реакции.

Daniel
Daniel

Часть 2. Поэтому мы упрощаем себе работу, строя некие обобщения: вместо бесконечного списка конкретных реакций мы изучаем бесконечный (но меньший) список реакций классов, функциональных групп, а также некоторые концепции о том, какие реакции вероятно пойдут, а какие – вряд ли. Так что да – не существует «небольшого набора простых правил», с помощью которого можно было бы писать сколь-нибудь много реакций. Придётся учить и вникать.

кеек
кеек

нет

Наталья
Наталья

Все понятно, но как расставить коэффициенты в уравнении
Mg + HNO3 = Mg(NO3)2 + N2O +H2O
С какого элемента начинать? Или действовать методом подбора, т.е. научным методом «тыка»?

Daniel
Daniel

О, это можно сделать несколькими способами. К сожалению, по-видимому, тут нельзя прикрепить картинку, так что увы. Но подбор тут не используется, а «метод тыка» вообще нигде в обучении химии не встречен.
Опишем словами: один способ уравнивания заключается, к примеру, в «методе электронного баланса».

Daniel
Daniel

Другой способ — без электронного баланса, просто поставить неопределённые коэффициенты (буквы) перед каждым из веществ, потом приравнять одну из них 1, потом выразить все буквы через одну из них, потом составить уравнение материального баланса относительно атомов одного из элементов — единственного, не уравненного манипуляциями с буквами, — и на выходе получается готовое уравнение реакции с расставленными коэффициентами.

Daniel
Daniel

Первый метод — электронный баланс — проще воспринять школьнику-химику. Второй — неопределённые буквенные коэффициенты — проще воспринять школьнику-математику.
На самом деле, разницы между ними почти нет. И в равной степени используются оба.

Сергей
Сергей

Сначала уравниваем металл, затем кислотный остаток, затем водород и последним уравниваем кислород