Химия уравнение химических реакций. Закон сохранения массы вещества открыл
Поговорим о том, как составить уравнение химической реакции. Именно этот вопрос в основном вызывает серьезные затруднения у школьников. Одни не могут понять алгоритм составления формул продуктов, другие неправильно расставляют коэффициенты в уравнении. Учитывая, что все количественные вычисления осуществляются именно по уравнениям, важно понять алгоритм действий. Попробуем выяснить, как составлять уравнения химических реакций.
Составление формул по валентности
Для того чтобы правильно записывать процессы, происходящие между различными веществами, нужно научиться записывать формулы. Бинарные соединения составляют с учетом валентностей каждого элемента. Например, у металлов главных подгрупп она соответствует номеру группы. При составлении конечной формулы между этими показателями определяется наименьшее кратное, затем расставляются индексы.
Что такое уравнение
Под ним понимают символьную запись, которая отображает взаимодействующие химические элементы, их количественные соотношения, а также те вещества, которые получаются в результате процесса. Одно из заданий, предлагаемых ученикам девятого класса на итоговой аттестации по химии, имеет следующую формулировку: «Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства предложенного класса веществ». Для того чтобы справиться с поставленной задачей, ученики должны владеть алгоритмом действий.
Алгоритм действий
Например, нужно написать процесс горения кальция, пользуясь символами, коэффициентами, индексами. Поговорим о том, как составить уравнение химической реакции, воспользовавшись порядком действий. В левой части уравнения через "+" записываем знаками вещества, которые участвуют в данном взаимодействии. Так как горение происходит с участием кислорода воздуха, который относится к двухатомным молекулам, его формулу пишем О2.
За знаком равенства формируем состав продукта реакции, используя правила расстановки валентности:
2Ca + O2 = 2CaO.
Продолжая разговор о том, как составить уравнение химической реакции, отметим необходимость использования закона постоянства состава, а также сохранения состава веществ. Они позволяют проводить процесс уравнивания, расставлять в уравнении недостающие коэффициенты. Данный процесс является одним из простейших примеров взаимодействий, происходящих в неорганической химии.
Важные аспекты
Для того чтобы понять, как составить уравнение химической реакции, отметим некоторые теоретические вопросы, касающиеся этой темы. Закон сохранения массы веществ, сформулированный М. В. Ломоносовым, объясняет возможность расстановки коэффициентов. Так как количество атомов каждого элемента до и после взаимодействия остается неизменным, можно проводить математические расчеты.
При уравнивании левой и правой частей уравнения используют наименьшее общее кратное, аналогично тому, как составляется формула соединения с учетом валентностей каждого элемента.
Окислительно-восстановительные взаимодействия
После того как у школьников будет отработан алгоритм действий, они смогут составить уравнение реакций, характеризующих химические свойства простых веществ. Теперь можно переходить к разбору более сложных взаимодействий, например протекающих с изменением степеней окисления у элементов:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu.
Существуют определенные правила, согласно которым расставляют степени окисления в простых и сложных веществах. Например, у двухатомных молекул этот показатель равен нулю, в сложных соединениях сумма всех степеней окисления также должна быть равна нулю. При составлении электронного баланса определяют атомы или ионы, которые отдают электроны (восстановитель), принимают их (окислитель).
Между этими показателями определяется наименьшее кратное, а также коэффициенты. Завершающим этапом разбора окислительно-восстановительного взаимодействия является расстановка коэффициентов в схеме.
Ионные уравнения
Одним из важных вопросов, который рассматривается в курсе школьной химии, является взаимодействие между растворами. Например, дано задание следующего содержания: «Составьте уравнение химической реакции ионного обмена между хлоридом бария и сульфатом натрия». Оно предполагает написание молекулярного, полного, сокращенного ионного уравнения. Для рассмотрения взаимодействия на ионном уровне необходимо по таблице растворимости указать ее для каждого исходного вещества, продукта реакции. Например:
BaCl2 + Na2SO4 = 2NaCl + BaSO4
Вещества, которые не растворяются на ионы, записывают в молекулярном виде. Реакция обмена ионами протекает полностью в трех случаях:
- образование осадка;
- выделение газа;
- получение малодиссоциируемого вещества, например воды.
При наличии у вещества стереохимического коэффициента он учитывается при написании полного ионного уравнения. После того как будет написано полное ионное уравнение, проводят сокращение тех ионов, которые не были связаны в растворе. Конечным итогом любого задания, предполагающего рассмотрение процесса, протекающего между растворами сложных веществ, будет запись сокращенной ионной реакции.
Заключение
Химические уравнения позволяют объяснять с помощью символов, индексов, коэффициентов те процессы, которые наблюдаются между веществами. В зависимости от того, какой именно протекает процесс, существуют определенные тонкости записи уравнения. Общий алгоритм составления реакций, рассмотренный выше, основывается на валентности, законе сохранения массы веществ, постоянстве состава.
Имеет валентность равную двум, но в некоторых соединениях может проявлять высшую валентность. Если будет написана неправильно, то может не уравняться.
После правильного написания получившихся формул расставляем коэффициенты. Они для уравнения элементов. Суть уравнивания заключается в том, чтобы число элементов до реакции равнялось числу элементов после реакции. Начинать уравнивание стоит всегда с . Расставляем коэффициенты согласно индексам в формулах. Если с одной стороны реакции имеет индекс два, а с другой не имеет (принимает значение единицы), то во втором случае перед формулой ставим двойку.
Как только перед веществом поставлен коэффициент, значения всех элементов в этом увеличиваются в значение коэффициента. Если элемент обладает индексом, то сумма получившихся будет равняться произведению индекса и коэффициента.
После уравнивания металлов переходим к неметаллам. Затем переходим к кислотным остаткам и гидроксильным группам. Далее уравниваем водород. В самом конце проверяем реакцию по уравненному кислороду.
Химические реакции – это взаимодействие веществ, сопровождаемое изменением их состава. Иными словами, вещества, вступающие в , не соответствуют веществам, получающимся в результате реакции. С подобными взаимодействиями человек сталкивается ежечасно, ежеминутно. Ведь процессы, протекающие в его организме (дыхание, синтез белков, пищеварение и т.д.) – это тоже химические реакции.
Инструкция
Итак, запишите в левой части реакции исходные вещества: СН4 + О2.
В правой, соответственно, будут продукты реакции: СО2 + Н2О.
Предварительная запись этой химической реакции будет следующей: СН4 + О2 = СО2 + Н2О.
Уравняйте вышенаписанную реакцию, то есть добейтесь выполнения основного правила: количество атомов каждого элемента в левой и правой частях химической реакции должно быть одинаковым.
Вы видите, что количество атомов углерода совпадает, а количество атомов кислорода и водорода разное. В левой части 4 атома водорода, а в правой - только 2. Поэтому поставьте перед формулой воды коэффициент 2. Получите: СН4 + О2 = СО2 + 2Н2О.
Атомы углерода и водорода уравнены, теперь осталось сделать то же самое с кислородом. В левой части атомов кислорода 2, а в правой – 4. Поставив перед молекулой кислорода коэффициент 2, получите итоговую запись реакции окисления метана: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
Как неудивительна природа для человека: зимой она окутывает землю снежным пуховым одеялом, весной - раскрывает, словно хлопья поп корна, все живое, летом - бушует буйством красок, осенью поджигает рыжим огнем растения... И только если вдуматься и присмотреться, можно увидеть, что стоят за всеми этими столь привычными изменениями сложные физические процессы и ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. А чтобы исследовать все живое, необходимо уметь решать химические уравнения. Основным требованием при уравнивании химических уравнений - знание закона сохранения количества вещества: 1)количество вещества до реакции равно количеству вещества после реакции; 2)общее количество вещества до реакции равно общему количеству вещества после реакции.
Инструкция
Чтобы уравнять "пример" необходимо выполнить несколько шагов.
Записать уравнение
реакции в общем виде. Для этого неизвестные коэффициенты перед обозначить буквами латинского (х, y, z, t и тд). Пусть требуется уравнять реакцию соединения водорода и , в результате которой получится вода. Перед молекулами водорода, кислорода и воды поставить латинские
Реакции между разного рода химическими веществами и элементами являются одним из главных предметов изучения в химии. Чтобы понять, как составить уравнение реакции и использовать их в своих целях необходимо достаточно глубокое понимание всех закономерностей при взаимодействии веществ, а также процессов с химическими реакциями.
Составление уравнений
Одним из способов выражения химической реакции является – химическое уравнение. В нем записывается формула исходного вещества и продукта, коэффициенты, которые показывают, какое количество молекул имеет каждое вещество. Все известные химические реакции разделяются на четыре типа: замещение, соединение, обмен и разложение. Среди них выделяют: окислительно-восстановительные, экзогенные, ионные, обратимые, необратимые и т.д.
Подробнее о том, как составлять уравнения химических реакций:
- Необходимо определить, название веществ, взаимодействующих между собой в реакции. Пишем их в левой части нашего уравнения. В качестве примера рассмотрим химическую реакцию, которая образовалась между серной кислотой и алюминием. Реагенты располагаем слева: H2SO4+Al. Далее пишем знак «равно». В химии вы можете повстречать знак «стрелочка», которая указывает вправо, или же направленные противоположно две стрелки, они означают «обратимость». Результат взаимодействия металла и кислоты – соль и водород. Полученные после реакции продукты запиши после знака «равно», то есть справа. H2SO4+Al= H2+ Al2(SO4)3. Итак, у нас видна схема реакции.
- Для составления химического уравнения обязательно нужно найти коэффициенты. Вернемся к предыдущей схеме. Посмотрим на левую ее часть. В составе серной кислоты содержатся атомы водорода, кислорода и серы, в примерном соотношении 2:4:1. В правой части – 3 атома серы и 12 атомов кислорода в соли. Два атома водорода содержится в молекуле газа. В левой части соотношение этих элементов составляет2:3:12
- Для уравнивания количества атомов кислорода и серы, которые в составе сульфата алюминия (III), необходимо поставить перед кислотой в левую часть уравнения коэффициент 3. Теперь у нас в левой части имеется 6 атомов водорода. Для того чтобы сравнять количество элементов водорода, нужно поставить 3 перед водородом в правой части уравнения.
- Теперь осталось лишь уравнять количество алюминия. Поскольку в состав соли входит два атома металла, то в левой части перед алюминием выставляем коэффициент 2. В итоге, мы получим уравнение реакции этой схемы: 2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2
Поняв основные принципы как составить уравнение реакции химических веществ, в дальнейшем не вызовет особого труда записать любую, даже самую экзотическую, с точки зрения химии, реакцию.
В уроке 13 «» 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.
В результате реакции горения метана CH 4 в кислороде O 2 образуются диоксид углерода CO 2 и вода H 2 O. Эта реакция может быть описана химическим уравнением :
- CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O (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 O 2 расходуется в расчете на 1 молекулу CH 4 и сколько молекул CO 2 и H2 O 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.
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.
Начнем с углерода. В левой части один атом С входит в состав молекулы CH 4 , а в правой части один атом С входит в состав CO 2 . 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:
- 1CH 4 + O 2 → 1CO 2 + H 2 O (2)
Затем переходим к подсчету атомов водорода H. В левой части присутствуют 4 атома H (в количественном смысле H 4 = 4H) в составе молекулы CH 4 , а в правой – всего 2 атома H в составе молекулы H 2 O, что в два раза меньше чем в левой части химического уравнения (2). Будем уравнивать! Для этого поставим коэффициент 2 перед молекулой H 2 O. Вот теперь у нас и в реагентах и в продуктах будет по 4 молекулы водорода H:
- 1CH 4 + O 2 → 1CO 2 + 2H 2 O (3)
Обратите свое внимание, что коэффициент 2, который мы записали перед молекулой воды H 2 O для уравнивания водорода H, увеличивает в 2 раза все атомы, входящие в ее состав, т.е 2H 2 O 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:
- 1CH 4 + 2O 2 → 1CO 2 + 2H 2 O или СH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (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) C 7 H 5 N 3 O 6 энергично соединяется с кислородом, образуя H 2 O, CO 2 и N 2 . Запишем уравнение реакции, которое будем уравнивать:
- C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → CO 2 + H 2 O + N 2 (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:
- 2C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → CO 2 + H 2 O + N 2 (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:
- 2C 7 H 5 N 3 O 6 + O 2 → 14CO 2 + 5H 2 O + 3N 2 (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 O 2 . Таким образом полное химическое уравнение будет иметь вид:
- 2C 7 H 5 N 3 O 6 + 10,5O 2 → 14CO 2 + 5H 2 O + 3N 2 (8)
Можно умножить обе части на 2 и избавиться от нецелочисленного коэффициента 10,5:
- 4C 7 H 5 N 3 O 6 + 21O 2 → 28CO 2 + 10H 2 O + 6N 2 (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:
- C 7 H 5 N 3 O 6 + 5,25O 2 → 7CO 2 + 2,5H 2 O + 1,5N 2 (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 N A =6,022·10 23 , мы сможем утверждать, что 4 моля ТНТ реагируют с 21 молями O 2 с образованием 28 молей CO 2 , 10 молей H 2 O и 6 молей N 2 .
Есть еще одна фишка. При помощи таблицы Менделеева определяем молекулярные массы всех этих веществ:
- C 7 H 5 N 3 O 6 = 227,13 г/моль
- O2 = 31,999 г/моль
- CO2 = 44,010 г/моль
- H2 O = 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 CO 2 , 10·18,015 г = 180,15 г H 2 O и 6·28,013 г = 168,08 г N 2 . 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 H2 O | |
| 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 :
- CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (11)
Химическое уравнение (11) описывает реакцию карбоната кальция CaCO 3 (известняка) и хлористоводородной кислоты HCl с образованием водного раствора хлорида кальция CaCl 2 и диоксида углерода CO 2 . 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 CaCO 3 требует для осуществления полной реакции 2 моля или 72,92 г HCl, в результате чего получается по 1 молю CaCl 2 (110,99 г/моль), CO 2 (44,01 г/моль) и H 2 O (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 CaCO 3 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:
- CaCO 3 (тв.) + 2H + (водн.) → Ca 2+ (водн.) + CO 2 (г.) + H 2 O(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 CaCO 3 реагирует с двумя гидратированными ионами H + , образуя при этом положительный ион Ca 2+ , CO 2 и H 2 O. 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.
