Химическое уравнение

Химическим уравнением (уравнением химической реакции) называют условную запись химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов.

Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную информацию о химической реакции, реагентах и продуктах реакции; его составление основывается на законах стехиометрии, в первую очередь, законе сохранения массы веществ в химических реакциях. Кроме уравнений используются полные и краткие схемы химических реакций – условные записи, дающие представление о природе реагентов и продуктов, т. е. качественную информацию о химической реакции.

См. также: Стехиометрическое уравнение

O₂ + 2 H₂ → 2 H₂O

История

Титульный лист Tyrocinium Chymicum.

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

С дальнейшим развитием химии менялись представления о символике химических элементов, расширялись знания об их соединениях. С открытием множества химических явлений возникла необходимость в переходе от их словесного описания к более удобной математической записи, используя химические формулы. Первым предложил использовать химические уравнения Жан Бегун (Jean Beguin) в 1615 году в первом учебнике 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

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 стрелку. Затем находят коэффициенты - числа, стоящие перед формулами веществ, чтобы число атомов одинаковых элементов в левой и правой частях уравнения было равным.

Для составления уравнений химических реакций , кроме знания формул реагентов и продуктов реакции, необходимо верно подобрать коэффициенты. Это можно сделать, используя несложные правила:

1. Перед формулой простого вещества можно записывать дробный коэффициент, который показывает количество вещества реагирующих и образующихся веществ.

2. Если в схеме реакции есть формула соли, то вначале уравнивают число ионов, образующих соль.

3. Если участвующие в реакции вещества содержат водород и кислород, то атомы водорода уравнивают в предпоследнюю очередь, а атомы кислорода - в последнюю.

4. Если в схеме реакции имеется несколько формул солей, то необходимо начинать уравнивание с ионов, входящих в состав соли, содержащей большее их число.

Символы в химических уравнениях

Для обозначения различных типов реакций используются следующие символы:

• "$=$" используется в том случае, когда соблюдено стехиометрическое соотношение.
• "$\rightarrow$" используется для обозначений прямой реакции.
• "$\rightleftarrows$" используется для обозначения реакции протекающей в обоих направлениях.
• "$\rightleftharpoons$" используется для обозначения химического равновесия.

Расстановка коэффициентов в уравнениях

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 в сумме должны давать ноль. Одним из способов уравнивания количества атомов в химическом уравнении является подбор коэффициентов методом проб и ошибок. Для более сложных случаев следует использовать систему линейных алгебраических уравнений. 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. Пример, расстановка коэффициентов в химической реакции горение метана:

1CH₄ + O₂ $\rightarrow$ 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 $\rightarrow$ 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 $\rightarrow$ CO₂ + 2H₂O

Перед молекулами CH₄ и CO₂ коэффициент 1 опускают.

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — 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.

В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

Окисление - процесс отдачи электронов, с увеличением степени окисления. При окислении вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества называются донорами электронов, а атомы окислителя — акцепторами электронов. Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные свойства, превращаясь в сопряжённый восстановитель.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом вещества, при этом его степень окисления понижается. При восстановлении атомы или ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение степени окисления элемента. Восстановитель, отдавая электроны, приобретает окислительные свойства, превращаясь в сопряжённый окислитель.

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).

Подбор коэффициентов методом электронного баланса.

В простых уравнениях коэффициенты подбирают поэлементно в соответствии с формулой конечного продукта. В более сложных уравнениях окислительно-восстановительных реакций подбор коэффицентов проводят методом электронного баланса:

1. Записывают схему реакции (формулу реагентов и продуктов), а затем находят элементы, которые повышают и понижают свои степени окисления, и выписывают их отдельно;

2. Составляют уравнения полуреакций восстановления и окисления, соблюдая законы сохранения числа атомов и заряда в каждой полуреакции;

3. Подбирают дополнительные множители для уравнивания полуреакций так, чтобы закон сохранения заряда выполнялся для реакции в целом, для чего число принятых элементов в полуреакциях восстановления делают равным числу отданных элементов в полуреакции окисления;

4. Проставляют (по найденным множителям) стехиометрические коэффициенты в схему реакции (коэффициент 1 опускается);

5. Уравнивают числа атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления при протекании реакции (если таких элементов два, то достаточно уравнять число атомов одного из них, а по второму провести проверку). Получают уравнения химической реакции;

6. Проводят проверку по элементу, который не менял свою степень окисления (чаще всего это кислород).

Расстановка коэффициентов в ионных уравнениях

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) $\rightarrow$ Ca(NO₃)₂(ж) + 2AgCl(тв)

полное ионное уравнение:

Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Ag⁺ + 2NO₃⁻ $\rightarrow$ Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2AgCl(тв)

сокращенное ионное уравнение:

2Cl⁻(ж) + 2Ag⁺(ж) $\rightarrow$ 2AgCl(тв)

ионное уравнение:

Ag⁺ + Cl⁻ $\rightarrow$ AgCl(тв)

Ионы Ca²⁺ и NO₃⁻ остаются в растворе, поэтому не являются участниками химической реакции. В реакциях нейтрализации ионное уравнение реакции выглядит следующим образом:

H⁺ + OH⁻ $\rightarrow$ H₂O

Существует несколько реакций нейтрализации, которые дают еще одно мало диссоциирующее вещество помимо воды. Примером может служить реакция гидроксида бария с фосфорной кислотой, так как образуется нерастворимый в воде фосфат бария.

Литература

1. Левицкий М. Язык химиков // Химия и жизнь. – 2000. –№1. – С.50-52.
2. Кудрявцев А.А. Составление химических уравнений - 4-е издание, перераб. и доп., 1968 - 359с.
3. Берг Л.Г. Громаков С.Д. Зороацкая И.В. Аверко-Антонович И.Н. Способы подбора коэффициентов в химических уравнениях - Казань: изд-во Казанского ун-та, 1959.- 148 с.
4. Леенсон И.А. Чет или нечет - М.: Химия, 1987. - 176с.
5. Химия, учебник 8 класса. Издательство ARC. 2003.
6. Химия, учебник 8 класса. Издательство Дрофа. 2009.
7. Химия, учебник 8 класса. Издательство "Мектеп" алматы. 2012.
8. Химия, учебник 9 класса. Издательство "Просвещение" 2008.

См. также

• Химические реакции
• Стехиометрия
• Термохимические уравнения

Ссылки

• Уравнения химические
• Jean Beguin
• Уравнивание химических реакций
• Формулы химические // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Составление ионного уравнения на примере взаимодействия NaOH и HCl - видео
• Химические уравнения - видео урок
• Master of Chemical Equations - Настоящее уравнивание химических реакций (c БД).