Химические уравнения

Химическое уравнение — это условная запись химического превращения с помощью химических формул и математических знаков

При составлении химических уравнений используют математические знаки «+», «−», «=», а также числа — они выступают в качестве коэффициентов и индексов.

Коэффициенты показывают число частиц (атомов или молекул), а индексы — число атомов, которые входят в состав молекулы.

Химическую реакцию можно изобразить в виде схемы:

На схеме протекание реакции представлено нагляднее, но сложные химические процессы изобразить таким способом сложно. Поэтому их записывают в виде химического уравнения.

Вещества, которые вступают в реакцию, называют исходными веществами, или реагентами. Вещества, которые образуются в результате, называют продуктами реакции.

Давайте разберем этот пример химического уравнения. Здесь видно, что из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода образуются две молекулы воды. Реагенты в данном случае — водород и кислород, продукт реакции — вода.

Новые вещества образуются вследствие перегруппировки исходных атомов. В результате химической реакции атомы химических элементов никуда не исчезают и не возникают новые, их число остается неизменным — это следует из закона сохранения массы веществ.

Закон сохранения массы веществ лежит в основе химии и используется при составлении уравнений химических реакций.

Алгоритм составления уравнения химической реакции

Рассмотрим, как составлять уравнения химических реакций, на примере взаимодействия магния и кислорода с образованием оксида магния.

1. Записываем химические формулы исходных веществ в левой части уравнения. Напоминаем: молекулы H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ двухатомны. Между исходными веществами ставим «+», а затем знак «=».

   

2. После знака равенства записываем химическую формулу продукта. Химическую формулу необходимо составить с учетом валентностей химических элементов.

   

3. Согласно закону сохранения массы веществ, число атомов каждого химического элемента до и после реакции должно быть одинаковым. Давайте посмотрим, как расставлять коэффициенты в химических уравнениях, чтобы закон выполнялся.

   Из составленной химической реакции видно, что количество атомов магния слева и справа от знака равенства одинаково, но атомов кислорода слева два, а справа один.

   Чтобы уравнять число атомов в химическом уравнении, находим наименьшее общее кратное (НОК), в нашем случае — 2. А затем делим НОК на количество атомов кислорода в реагентах и полученное число записываем в виде коэффициента.

   

   Это важно

   Коэффициент 1 в уравнении химической реакции не указывается, но при подсчете суммы коэффициентов в уравнении его необходимо учитывать.

4. Проверим количество атомов магния до и после знака «=». Если перед химической формулой уже стоит коэффициент, то для подсчета количества атомов необходимо умножить коэффициент на индекс, который относится к этому химическому элементу.

   

5. Чтобы уравнять количество атомов магния в химической реакции, посчитаем НОК и разделим его на количество атомов с каждой стороны от знака «=». Результат деления и будет являться коэффициентом (повторяем расстановку коэффициентов в химическом уравнении из 3-го пункта).

   

6. Получаем уравнение химической реакции, в котором в исходных веществах и продуктах реакции по 2 атома магния и кислорода.

   

Сумма коэффициентов в этом химическом уравнении равна 5 (2 + 1 + 2 = 5).

Коэффициенты, которые стоят в химическом уравнении перед веществами, указывают на мольное соотношение исходных веществ и продуктов реакции, по которому и производятся расчеты.

Типы химических реакций

Химические реакции можно классифицировать по различным признакам:

1. По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции.

2. По изменению степени окисления.

3. По тепловому эффекту.

4. По агрегатному состоянию.

5. По наличию или отсутствию катализатора.

6. По обратимости.

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

По этому признаку выделяют 4 типа реакций: реакции соединения, реакции разложения, реакции замещения и реакции обмена.

Реакции соединения — это реакции, в результате которых из нескольких более простых веществ образуется одно более сложное.

Например, простые вещества барий и кислород взаимодействуют с образованием сложного вещества оксида бария:

2Ba + O₂ = 2BaO.

Также к реакциям соединения относится взаимодействие оксида натрия с водой с образованием более сложного вещества гидроксида натрия. Оно более сложное, так как состоит уже из трех атомов химических элементов, в отличие от веществ-реагентов, которые состоят из двух атомов:

Na₂O + H₂O = 2NaOH.

Реакции разложения — это реакции, в результате которых из одного более сложного вещества образуется несколько более простых веществ. Является процессом, обратным реакции соединения.

Пример такой реакции — разложение нитрата серебра на несколько более простых веществ: серебро, оксид азота (IV) и кислород.

2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂↑ + O₂↑.

Реакции замещения — это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного химического элемента в сложном веществе. Также возможно замещение функциональных групп в сложном веществе.

Например, замещение атомов водорода в молекуле соляной кислоты на атомы цинка:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.

Реакции обмена — это реакции между двумя сложными веществами, в результате которых вещества обмениваются своими составными частями.

Например, NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O.

Для наглядности показали все типы химических реакций по этому признаку на схеме:

По изменению степени окисления

По этому признаку выделяют два вида реакций:

• реакции, протекающие без изменения степени окисления;

• окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — реакции, протекающие с изменением степени окисления нескольких элементов.

В ОВР всегда участвуют вещество-окислитель и вещество-восстановитель. Другие исходные вещества, принимающие участие в реакции, выступают в качестве среды, в которой протекает эта реакция.

Окислитель — вещество, в состав которого входит ион или атом, который в процессе реакции принимает электроны, тем самым понижая свою степень окисления.

Восстановитель — вещество, в состав которого входит ион или атом, который в процессе реакции отдает электроны, тем самым повышая свою степень окисления.

Из определений можно сделать вывод, что в ходе реакции протекает два процесса: принятие электронов (восстановление) и отдача электронов (окисление). Протекают они одновременно.

По тепловому эффекту

По тепловому эффекту реакции делятся на эндотермические и экзотермические.

Эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты (−Q). Буквой Q обозначается количество теплоты.

К таким реакциям относятся практически все реакции разложения. Пример:

CaCO₃ = CaO + CO₂ − Q.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (+Q).

К таким реакциям относятся практически все реакции соединения. Пример:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q.

По агрегатному состоянию исходных веществ

По этому признаку все реакции разделяют на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе.

К гомогенным реакциям относятся те, исходные вещества которых находятся либо в жидком агрегатном состоянии, либо в газообразном. Например, взаимодействие двух газообразных веществ — водорода и хлора:

H₂(г) + Cl₂(г) = 2HCl.

Агрегатное состояние указывается в правом нижнем углу: «г» — газообразное, «ж» — жидкое, «тв» — твердое.

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз.

Как правило, такие реакции протекают между веществами, которые находятся в разных агрегатных состояниях:

2Na(тв) + 2H₂O(ж) = 2NaOH + H₂.

Также к гетерогенным относятся реакции между двумя несмешивающимися жидкостями. Собрали несколько примеров гетерогенных реакций:

По наличию или отсутствию катализатора

По этому признаку выделяют реакции каталитические и некаталитические.

Каталитические реакции — реакции, протекающие с участием катализатора

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, участвует в ней, но остается неизменным после окончания этой реакции.

Наличие катализатора указывается над знаком равенства как kat или формула конкретного вещества, выступающего в роли катализатора.

Например:

Некаталитические реакции — реакции, протекающие без участия катализатора.

По обратимости

Различают обратимые и необратимые реакции.

Обратимые реакции — реакции, протекающие в двух противоположных направлениях.

При составлении уравнений обратимых реакций вместо знака равенства используют знак «⇄».

К обратимым реакциям относят реакции ионного обмена, диссоциации электролитов и многие другие:

H₂ + I₂ ⇄ 2HI.

Необратимые реакции — реакции, которые протекают только в одном направлении.

Чтобы научиться составлять уравнения химических реакций, нужно только одно — практика. Много практики школьники получают на онлайн-курсах по химии в Skysmart. Интересные задания на интерактивной платформе, примеры из жизни и опытные преподаватели обязательно приведут к желаемому результату — и просто помогут полюбить химию.