Полное химическое уравнение. Химические реакции
Класс: 8
Презентация к уроку
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цель урока: помочь обучающимся сформировать знания о химическом уравнении как об условной записи химической реакции с помощью химических формул.
Задачи:
Образовательные:
- систематизировать ранее изученный материал;
- обучать умению составлять уравнения химических реакций.
Воспитательные:
- воспитывать коммуникативные навыки (работа в паре, умение слушать и слышать).
Развивающие:
- развивать учебно-организационные умения, направленные на выполнение поставленной задачи;
- развивать аналитические навыки мышления.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, оценочные листы, карта рефлексии, “набор химических знаков”, тетрадь с печатной основой, реактивы: гидроксид натрия, хлорид железа(III), спиртовка, держатель, спички, лист ватмана, разноцветные химические знаки.
Презентация урока (приложение 3)
Структура урока.
І. Организационный момент.
ІІ. Актуализация знаний и умений.
ІІІ. Мотивация и целеполагание.
ІV. Изучение нового материала:
4.1 реакция горения алюминия в кислороде;
4.2 реакция разложения гидроксида железа (III);
4.3 алгоритм расстановки коэффициентов;
4.4 минута релаксации;
4.5 расставь коэффициенты;
V. Закрепление полученных знаний.
VІ. Подведение итогов урока и выставление оценок.
VІІ. Домашнее задание.
VІІІ. Заключительное слово учителя.
Ход урока
Химическая натура сложной частицы
определяется натурой элементарных
составных частей,
количеством их и
химическим строением.
Д.И.Менделеев
Учитель.
Здравствуйте, ребята. Садитесь.
Обратите внимание: у вас на столе лежит тетрадь с печатной основой
(Приложение 2),
в которой вы сегодня будете
работать, и оценочный лист, в нем вы будете фиксировать свои достижения,
подпишите его.
Актуализация знаний и умений.
Учитель.
Мы с вами познакомились с физическими и химическими
явлениями, химическими реакциями и признаками их протекания. Изучили закон
сохранения массы веществ.
Давайте проверим ваши знания. Я предлагаю вам открыть тетради с печатной основой
и выполнить задание 1. На выполнение задания вам дается 5 минут.
Тест по теме “Физические и химические явления. Закон сохранения массы веществ”.
1.Чем химические реакции отличаются от физических явлений?
- Изменение формы, агрегатного состояния вещества.
- Образование новых веществ.
- Изменение местоположения.
2. Каковы признаки химической реакции?
- Образование осадка, изменение цвета, выделение газа.
3. В соответствии с каким законом составляются уравнения химических реакций?
- Закон постоянства состава вещества.
- Закон сохранения массы вещества.
- Периодический закон.
- Закон динамики.
- Закон всемирного тяготения.
4. Закон сохранения массы вещества открыл:
- Д.И. Менделеев.
- Ч. Дарвин.
- М.В. Ломоносов.
- И. Ньютон.
- А.И. Бутлеров.
5. Химическим уравнением называют:
- Условную запись химической реакции.
Учитель. Вы выполнили работу. Я предлагаю вам осуществить ее проверку. Поменяйтесь тетрадями и осуществите взаимопроверку. Внимание на экран. За каждый правильный ответ – 1 балл. Общее количество баллов занесите в оценочные листы.
Мотивация и целеполагание.
Учитель. Используя эти знания, мы сегодня будем составлять уравнения химических реакций, раскрывая проблему “Является ли закон сохранения массы веществ основой для составления уравнений химических реакций”
Изучение нового материала.
Учитель. Мы привыкли считать, что уравнение-это математический пример, где есть неизвестное, и это неизвестное нужно вычислить. А вот в химических уравнениях обычно ничего неизвестного не бывает: в них просто записывается все формулами: какие вещества вступают в реакцию и какие получаются в ходе этой реакции. Посмотрим опыт.
(Реакция соединения серы и железа.) Приложение 3
Учитель. С точки зрения массы веществ, уравнение реакции соединения железа и серы понимается следующим образом
Железо + сера → сульфид железа (II) (задание 2 тпо)
Но в химии слова отражаются химическими знаками. Запишите это уравнение химическими символами.
Fe + S → FeS
(Один ученик пишет на доске, остальные в ТПО.)
Учитель.
Теперь прочитайте.
Обучающиеся.
Молекула железа взаимодействует с молекулой серы, получается
одна молекула сульфида железа (II).
Учитель.
В данной реакции мы видим, что количество исходных веществ равно
количеству веществ в продукте реакции.
Всегда надо помнить, что при составлении уравнений реакций ни один атом не
должен потеряться или неожиданно появиться. Поэтому иногда, записав все формулы
в уравнении реакции, приходиться уравнивать число атомов в каждой части
уравнения – расставлять коэффициенты. Посмотрим еще один опыт
(Горение алюминия в кислороде.) Приложение 4
Учитель. Запишем уравнение химической реакции (задание 3 в ТПО)
Al + O 2 → Al +3 O -2
Чтобы записать правильно формулу оксида, вспомним что
Обучающиеся. Кислород в оксидах имеет степень окисления -2, алюминий – химический элемент с постоянной степенью окисления +3. НОК = 6
Al + O 2 → Al 2 O 3
Учитель.
Мы видим, что в реакцию вступает 1 атом алюминия, образуется
два атома алюминия. Вступает два атома кислорода, образуется три атома
кислорода.
Просто и красиво, но неуважительно по отношению к закону сохранения массы
веществ – она разная до и после реакции.
Поэтому нам необходимо расставить коэффициенты в данном уравнении химической
реакции. Для этого найдем НОК для кислорода.
Обучающиеся. НОК = 6
Учитель. Перед формулами кислорода и оксида алюминия ставим коэффициенты, чтобы число атомов кислорода слева и справа было равно 6.
Al + 3 O 2 → 2 Al 2 O 3
Учитель. Теперь получаем, что в результате реакции образуется четыре атома алюминия. Следовательно, перед атомом алюминия в левой части ставим коэффициент 4
Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3Еще раз пересчитаем все атомы до реакции и после нее. Ставим равно.
4Al + 3O 2 _ = 2 Al 2 O 3
Учитель. Рассмотрим еще один пример
(Учитель демонстрирует опыт по разложению гидроксида железа (III).)
Fe(OH) 3 → Fe 2 O 3 + H 2 O
Учитель. Расставим коэффициенты. В реакцию вступает 1 атом железа, образуется два атома железа. Следовательно, перед формулой гидроксида железа (3) ставим коэффициент 2.
Fe(OH) 3 → Fe 2 O 3 + H 2 OУчитель. Получаем, что в реакцию вступает 6 атомов водорода (2х3), образуется 2 атома водорода.
Обучающиеся. НОК =6. 6/2 = 3. Следовательно, у формулы воды ставим коэффициент 3
2Fe(OH) 3 → Fe 2 O 3 + 3 H 2 O
Учитель. Считаем кислород.
Обучающиеся. Слева – 2х3 =6; справа – 3+3 = 6
Обучающиеся. Количество атомов кислорода,вступивших в реакцию, равно количеству атомов кислорода, образовавшихся в ходе реакции. Можно ставить равно.
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 +3 H 2 O
Учитель. Теперь давайте обобщим все сказанное ранее и познакомимся с алгоритмом расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций.
- Подсчитать количество атомов каждого элемента в правой и левой части уравнения химической реакции.
- Определить, у какого элемента количество атомов меняется, найти НОК.
- Разделить НОК на индексы – получить коэффициенты. Поставить их перед формулами.
- Пересчитать количество атомов, при необходимости действие повторить.
- Последним проверить количество атомов кислорода.
Учитель.
Вы хорошо потрудились и, наверное, устали. Я предлагаю вам
расслабиться, закрыть глаза и вспомнить какие-либо приятные моменты жизни. У
каждого из вас они разные. Теперь откройте глаза и сделайте круговые движения
ими сначала по часовой стрелке, затем – против. Теперь интенсивно подвигайте
глазами по горизонтали: направо – налево, и вертикали: вверх – вниз.
А сейчас активизируем мыслительную деятельность и помассируем мочки ушей.
Учитель.
Продолжаем работу.
В тетрадях с печатной основой выполним задание 5. Работать вы будете в парах.
Вам необходимо расставить коэффициенты в уравнених химических реакций. На
выполнение задания дается 10 минут.
- P + Cl 2 →PCl 5
- Na + S → Na 2 S
- HCl + Mg →MgCl 2 + H 2
- N 2 + H 2 →NH 3
- H 2 O → H 2 + O 2
Учитель.
Проверим выполнение задания (учитель опрашивает и выводит
на слайд правильные ответы)
. За каждый правильно поставленный коэффициент –
1 балл.
С заданием вы справились. Молодцы!
Учитель.
Теперь давайте вернемся к нашей проблемы.
Ребята, как вы считаете, является ли закон сохранения массы веществ основой для
составления уравнений химических реакций.
Обучающиеся. Да, в ходе урока мы доказали, что закон сохранения массы веществ – основа для составления уравнений химических реакций.
Закрепление знаний.
Учитель. Все основные вопросы мы изучили. Теперь выполним небольшой тест, который позволит увидеть, как вы освоили тему. Вы должны на него отвечать только “да” или “нет”. На работу дается 3 минуты.
Утверждения.
- В реакции Ca + Cl 2 → CaCl 2 коэффициенты не нужны. (Да)
- В реакции Zn + HCl → ZnCl 2 + H 2 коэффициент у цинка 2. (Нет)
- В реакции Ca + O 2 → CaO коэффициент у оксида кальция 2. (Да)
- В реакции CH 4 → C + H 2 коэффициенты не нужны. (Нет)
- В реакции CuO + H 2 → Cu + H 2 O коэффициент у меди 2. (Нет)
- В реакции C + O 2 → CO коэффициент 2 надо поставить и у оксида углерода (II) , и у углерода. (Да)
- В реакции CuCl 2 + Fe → Cu + FeCl 2 коэффициенты не нужны. (Да)
Учитель. Проверим выполнение работы. За каждый правильный ответ – 1 балл.
Итог урока.
Учитель. Вы справились хорошо с заданием. Сейчас подсчитайте общее количество набранных баллов за урок и поставьте себе оценку согласно рейтингу, который вы видите на экране. Сдайте мне оценочные листы для выставления вашей оценки в журнал.
Домашнее задание.
Учитель. Наш урок подошел к концу, в ходе которого мы смогли доказать, что закон сохранения массы веществ является основой для составления уравнений реакций, и научились составлять уравнения химических реакций. И, как финальная точка, запишите домашнее задание
§ 27, упр. 1 – для тех, кто получил оценку “3”
упр. 2– для тех, кто получил оценку “4”
упр. 3 – для тех, кто получил оценку
“5”
Заключительное слово учителя.
Учитель. Я благодарю вас за урок. Но прежде чем вы покинете кабинет, обратите внимание на таблицу (учитель показывает на лист ватмана с изображением таблицы и разноцветными химическими знаками). Вы видите химические знаки разного цвета. Каждый цвет символизирует ваше настроение.. Я предлагаю вам составить свою таблицу химических элементов (она будет отличаться от ПСХЭ Д.И.Менделеева) – таблицу настроения урока. Для этого вы должны подойти к нотному листу, взять один химический элемент, согласно той характеристике, которую вы видите на экране, и прикрепить в ячейку таблицы. Я сделаю это первой, показав вам свою комфортность от работы с вами.
F Мне было на уроке комфортно, я получил ответ на все интересующие меня
вопросы.
F Мне на уроке было скучно, я ничего не узнал нового .
Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях
.
То есть, если с окружающими нас веществами ничего не происходит, то это не относится к химии. Но что значит, «ничего не происходит»? Если в поле нас вдруг застала гроза, и мы все промокли, как говорится «до нитки», то это ли не превращение: ведь одежда была сухой, а стала мокрой.
Если, к примеру взять железный гвоздь, обработать его напильником, а затем собрать железные опилки (Fe ) , то это ли так же не превращение: был гвоздь – стал порошок. Но если после этого собрать прибор и провести получение кислорода (О 2) : нагреть перманганат калия (КМпО 4) и собрать в пробирку кислород, а затем в неё поместить раскалённые «до красна» эти железные опилки, то они вспыхнут ярким пламенем и после сгорания превратятся в порошок бурого цвета. И это так же превращение. Так где же химия? Несмотря на то, что в этих примерах меняется форма (железный гвоздь) и состояние одежды (сухая, мокрая) – это не превращения. Дело в том, что сам по себе гвоздь как был веществом (железо), так им и остался, несмотря на другую свою форму, а воду от дождя как впитала наша одежда, так потом его и испарила в атмосферу. Сама вода не изменилась. Так что же такое превращения с точки зрения химии?
Превращениями с точки зрения химии называются такие явления, которые сопровождаются изменением состава вещества. Возьмём в качестве примера тот же гвоздь. Не важно, какую форму он принял после обработки напильником, но после того как собранные от него железные опилки поместили в атмосферу кислорода - он превратился в оксид железа (Fe 2 O 3 ) . Значит, что-то всё-таки изменилось? Да, изменилось. Было вещество гвоздь, но под воздействием кислорода сформировалось новое вещество – оксид элемента железа. Молекулярное уравнение этого превращения можно отобразить следующими химическими символами:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 (1)
Для непосвящённого в химии человека сразу возникают вопросы. Что такое «молекулярное уравнение», что такое Fe? Почему поставлены цифры «4», «3», «2»? Что такое маленькие цифры «2» и «3» в формуле Fe 2 O 3 ? Это значит, наступило время во всём разобраться по порядку.
Знаки химических элементов.
Несмотря на то, что химию начинают изучать в 8-м классе, а некоторые даже раньше, многим известен великий русский химик Д. И. Менделеев. И конечно же, его знаменитая «Периодическая система химических элементов». Иначе, проще, её называют «Таблица Менделеева».
В этой таблице, в соответствующем порядке, располагаются элементы. К настоящему времени их известно около 120. Названия многих элементов нам были известны ещё давно. Это: железо, алюминий, кислород, углерод, золото, кремний. Раньше мы не задумываясь применяли эти слова, отождествляя их с предметами: железный болт, алюминиевая проволока, кислород в атмосфере, золотое кольцо и т.д. и т.д. Но на самом деле все эти вещества (болт, проволока, кольцо) состоят из соответствующих им элементов. Весь парадокс состоит в том, что элемент нельзя потрогать, взять в руки. Как же так? В таблице Менделеева они есть, а взять их нельзя! Да, именно так. Химический элемент – это абстрактное (то есть отвлечённое) понятие, и используется в химии, впрочем как и в других науках, для расчётов, составления уравнений, при решении задач. Каждый элемент отличается от другого тем, что для него характерна своя электронная конфигурация атома. Количество протонов в ядре атома равно количеству электронов в его орбиталях. К примеру, водород – элемент №1. Его атом состоит из 1-го протона и 1-го электрона. Гелий – элемент №2. Его атом состоит из 2-х протонов и 2-х электронов. Литий – элемент №3. Его атом состоит из 3-х протонов и 3-х электронов. Дармштадтий – элемент №110. Его атом состоит из 110-и протонов и 110-и электронов.
Каждый элемент обозначается определённым символом, латинскими буквами, и имеет определённое прочтение в переводе с латинского. Например, водород имеет символ «Н» , читается как «гидрогениум» или «аш». Кремний имеет символ «Si» читается как «силициум». Ртуть имеет символ «Нg» и читается как «гидраргирум». И так далее. Все эти обозначения можно найти в любом учебнике химии за 8-й класс. Для нас сейчас главное уяснить то, что при составлении химических уравнений, необходимо оперировать указанными символами элементов.
Простые и сложные вещества.
Обозначая единичными символами химических элементов различные вещества (Hg ртуть , Fe железо , Cu медь , Zn цинк , Al алюминий ) мы по сути обозначаем простые вещества, то есть вещества, состоящие из атомов одного вида (содержащие одно и то же количество протонов и нейтронов в атоме). Например, если во взаимодействие вступают вещества железо и сера, то уравнение примет следующую форму записи:
Fe + S = FeS (2)
К простым веществам относятся металлы (Ва, К, Na, Mg, Ag), а так же неметаллы (S, P, Si, Cl 2 , N 2 , O 2 , H 2). Причём следует обратить
особое внимание на то, что все металлы обозначаются единичными символами: К, Ва, Са, Аl, V, Mg и т.д., а неметаллы – либо простыми символами: C,S,P или могут иметь различные индексы, которые указывают на их молекулярное строение: H 2 , Сl 2 , О 2 , J 2 , P 4 , S 8 . В дальнейшем это будет иметь очень большое значение при составлении уравнений. Совсем не трудно догадаться, что сложными веществами являются вещества, образованные из атомов разного вида, например,
1). Оксиды:
оксид алюминия
Al 2 O 3 , 
оксид натрия
Na 2 O,
оксид меди
CuO,
оксид цинка
ZnO,
оксид титана
Ti 2 O 3 ,
угарный газ
или оксид углерода (+2)
CO,
оксид серы (+6)
SO 3
2). Основания:
гидроксид железа
(+3) Fe(OH) 3 ,
гидроксид меди
Cu(OH) 2 ,
гидроксид калия или щёлочь калия
КOH,
гидроксид натрия
NaOH.
3). Кислоты:
соляная кислота
HCl,
сернистая кислота
H 2 SO 3 ,
азотная кислота
HNO 3
4). Соли:
тиосульфат натрия
Na 2 S 2 O 3 ,
сульфат натрия
или глауберова соль
Na 2 SO 4 ,
карбонат кальция
или известняк
СаCO 3,
хлорид меди
CuCl 2
5). Органические вещества:
ацетат натрия
СН 3 СООNa,
метан
СН 4 ,
ацетилен
С 2 Н 2 ,
глюкоза
С 6 Н 12 О 6
Наконец, после того как мы выяснили структуру различных веществ, можно приступать к составлению химических уравнений.
Химическое уравнение.
Само слово «уравнение» производное от слова «уравнять», т.е. разделить нечто на равные части. В математике уравнения составляют чуть ли не самую сущность этой науки. К примеру, можно привести такое простое уравнение, в котором левая и правая части будут равны «2»:
40: (9 + 11) = (50 х 2) : (80 – 30);
И в химических уравнениях тот же принцип: левая и правая части уравнения должны соответствовать одинаковым количествам атомов, участвующим в них элементов. Или, если приводится ионное уравнение, то в нём число частиц так же должно соответствовать этому требованию. Химическим уравнением называется условная запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков. Химическое уравнение по своей сути отражает ту или иную химическую реакцию, то есть процесс взаимодействия веществ, в процессе которых возникают новые вещества. Например, необходимо написать молекулярное уравнение реакции, в которой принимают участие хлорид бария ВаСl 2 и серная кислота H 2 SO 4. В результате этой реакции образуется нерастворимый осадок – сульфат бария ВаSO 4 и соляная кислота НСl:
ВаСl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2НСl (3)
Прежде всего необходимо уяснить, что большая цифра «2», стоящая перед веществом НСlназывается коэффициентом, а малые цифры «2», «4» под формулами ВаСl 2 , H 2 SO 4 ,BaSO 4 называются индексами. И коэффициенты и индексы в химических уравнениях выполняют роль множителей, а не слагаемых. Что бы правильно записать химическое уравнение, необходимо расставить коэффициенты в уравнении реакции . Теперь приступим к подсчёту атомов элементов в левой и правой частях уравнения. В левой части уравнения: в веществе ВаСl 2 содержатся 1 атом бария (Ва), 2 атома хлора (Сl). В веществе H 2 SO 4: 2 атома водорода (Н), 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О) . В правой части уравнения: в веществе BaSO 4 1 атом бария (Ва) 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О), в веществе НСl: 1 атом водорода (Н) и 1 атом хлора (Сl). Откуда следует, что в правой части уравнения количество атомов водорода и хлора вдвое меньше, чем в левой части. Следовательно, перед формулой НСl в правой части уравнения необходимо поставить коэффициент «2». Если теперь сложить количества атомов элементов, участвующих в данной реакции, и слева и справа, то получим следующий баланс:
В обеих частях уравнения количества атомов элементов, участвующих в реакции, равны, следовательно оно составлено правильно.
Химические уравнение и химические реакции
Как мы уже выяснили, химические уравнения являются отражением химических реакций. Химическими реакциями называются такие явления, в процессе которых происходит превращение одних веществ в другие. Среди их многообразия можно выделить два основных типа:
1). Реакции соединения
2). Реакции разложения.
В подавляющем своём большинстве химические реакции принадлежат к реакциям присоединения, поскольку с отдельно взятым веществом редко могут происходить изменения в его составе, если оно не подвергается воздействиям извне (растворению, нагреванию, действию света). Ничто так не характеризует химическое явление, или реакцию, как изменения, происходящие при взаимодействии двух и более веществ. Такие явления могут осуществляться самопроизвольно и сопровождаться повышением или понижением температуры, световыми эффектами, изменением цвета, образованием осадка, выделением газообразных продуктов, шумом.
Для наглядности приведём несколько уравнений, отражающих процессы реакций соединения, в процессе которых получаются хлорид натрия (NaCl), хлорид цинка (ZnCl 2), осадок хлорида серебра (AgCl), хлорид алюминия (AlCl 3)
Cl 2 + 2Nа = 2NaCl (4)
СuCl 2 + Zn= ZnCl 2 + Сu (5)
AgNO 3 + КCl = AgCl + 2KNO 3 (6)
3HCl + Al(OH) 3 = AlCl 3 + 3Н 2 О (7)
Cреди реакций соединения следует особым образом отметить следующие: замещения (5), обмена (6), и как частный случай реакции обмена – реакцию нейтрализации (7).
К реакциям замещения относятся такие, при осуществлении которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. В примере (5) атомы цинка замещают из раствора СuCl 2 атомы меди, при этом цинк переходит в растворимую соль ZnCl 2 , а медь выделяется из раствора в металлическом состоянии.
К реакциям обмена относятся такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями. В случае реакции (6) растворимые соли AgNO 3 и КCl при сливании обоих растворов образуют нерастворимый осадок соли AgCl. При этом они обмениваются своими составными частями – катионами и анионами. Катионы калия К + присоединяются к анионам NO 3 , а катионы серебра Ag + – к анионам Cl - .
К особому, частному случаю, реакций обмена относится реакция нейтрализации. К реакциям нейтрализации относятся такие реакции, в процессе которых кислоты реагируют с основаниями, в результате образуется соль и вода. В примере (7) соляная кислота HCl , реагируя с основанием Al(OH) 3 образует соль AlCl 3 и воду. При этом катионы алюминия Al 3+ от основания обмениваются с анионами Сl - от кислоты. В итоге происходит нейтрализация соляной кислоты.
К реакциям разложения относятся такие, при котором из одного сложного образуются два и более новых простых или сложных веществ, но более простого состава. В качестве реакций можно привести такие, в процессе которых разлагаются 1). Нитрат калия (КNO 3) с образованием нитрита калия (КNO 2) и кислорода (O 2); 2). Перманганат калия (KMnO 4): образуются манганат калия (К 2 МnO 4), оксид марганца (MnO 2) и кислород (O 2); 3). Карбонат кальция или мрамор ; в процессе образуются углекислый газ (CO 2) и оксид кальция (СаО)
2КNO 3 = 2КNO 2 + O 2 (8)
2KMnO 4 = К 2 МnO 4 + MnO 2 + O 2 (9)
СаCO 3 = CaO + CO 2 (10)
В реакции (8) из сложного вещества образуется одно сложное и одно простое. В реакции (9) – два сложных и одно простое. В реакции (10) – два сложных вещества, но более простых по составу
Разложению подвергаются все классы сложных веществ:
1). Оксиды: оксид серебра 2Ag 2 O = 4Ag + O 2 (11)
2). Гидроксиды: гидроксид железа 2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O (12)
3). Кислоты: серная кислота H 2 SO 4 = SO 3 + H 2 O (13)
4). Соли: карбонат кальция СаCO 3 = СаO + CO 2 (14)
5). Органические вещества: спиртовое брожение глюкозы
С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОH + 2CO 2 (15)
Согласно другой классификации, все химические реакции можно разделить на два типа: реакции, идущие с выделением теплоты, их называют экзотермические, и реакции, идущие с поглощением теплоты – эндотермические. Критерием таких процессов является тепловой эффект реакции. Как правило, к экзотермическим реакциям относятся реакции окисления, т.е. взаимодействия с кислородом, например сгорание метана :
СН 4 + 2O 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Q (16)
а к эндотермическим реакциям – реакции разложения, уже приводимые выше (11) – (15). Знак Q в конце уравнения указывает на то, выделяется ли теплота в процессе реакции (+Q) или поглощается (-Q):
СаCO 3 = СаO+CO 2 - Q (17)
Можно так же рассматривать все химические реакции по типу изменения степени окисления, участвующих в их превращениях элементов. К примеру, в реакции (17) участвующие в ней элементы не меняют свои степени окисления:
Са +2 C +4 O 3 -2 = Са +2 O -2 +C +4 O 2 -2 (18)
А в реакции (16) элементы меняют свои степени окисления:
2Mg 0 + O 2 0 = 2Mg +2 O -2
Реакции такого типа относятся к окислительно-восстановительным . Они будут рассматриваться отдельно. Для составления уравнений по реакциям такого типа необходимо использовать метод полуреакций и применять уравнение электронного баланса.
После приведения различных типов химических реакций, можно приступать к принципу составлений химических уравнений, иначе, подбору коэффициентов в левой и правой их частях.
Механизмы составления химических уравнений.
К какому бы типу ни относилась та или иная химическая реакция, её запись (химическое уравнение) должна соответствовать условию равенства количества атомов до реакции и после реакции.
Существуют такие уравнения (17), которые не требуют уравнивания, т.е. расстановки коэффициентов. Но в большинстве случаях, как в примерах (3), (7), (15), необходимо предпринимать действия, направленные на уравнивание левой и правой частей уравнения. Какими же принципами необходимо руководствоваться в таких случаях? Существует ли какая ни будь система в подборе коэффициентов? Существует, и не одна. К таковым системам относятся:
1). Подбор коэффициентов по заданным формулам.
2). Составление по валентностям реагирующих веществ.
3). Составление по степеням окисления реагирующих веществ.
В первом случае полагается, что нам известны формулы реагирующих веществ как до реакции, так и после. К примеру, дано следующее уравнение:
N 2 + О 2 →N 2 О 3 (19)
Принято считать, что пока не установлено равенство между атомами элементов до реакции и после, знак равенства (=) в уравнении не ставится, а заменяется стрелкой (→). Теперь приступим к собственно уравниванию. В левой части уравнения имеются 2 атома азота (N 2) и два атома кислорода (О 2), а в правой – два атома азота (N 2) и три атома кислорода (О 3). По количеству атомов азота его уравнивать не надо, но по кислороду необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало три атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
О 2 О 3
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «6».
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 →N 2 О 3
Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Количества атомов кислорода и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 6 атомов:
Но количество атомов азота в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
В левой – два атома, в правой – четыре атома. Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество азота в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по азоту соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Теперь в уравнении можно вместо стрелки поставит знак равенства:
2N 2 + 3О 2 = 2N 2 О 3 (20)
Приведём другой пример. Дано следующее уравнение реакции:
Р + Cl 2 → РCl 5
В левой части уравнения имеется 1 атом фосфора (Р) и два атома хлора (Cl 2), а в правой – один атом фосфора (Р) и пять атомов кислорода (Cl 5). По количеству атомов фосфора его уравнивать не надо, но по хлору необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало пять атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
Cl 2 Cl 5
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «10».
Cl 2 Cl 5
\ 10 /
Разделим это число в левой части уравнения по хлору на «2». Получим число «5», поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → РCl 5
Так же разделим число «10» для правой части уравнения на «5». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → 2РCl 5
Количества атомов хлора и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 10 атомов:
Но количество атомов фосфора в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество фосфора в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по фосфору соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2Р + 5Cl 2 = 2РCl 5 (21)
При составлении уравнений по валентностям необходимо дать определение валентности и установить значения для наиболее известных элементов. Валентность – это одно из ранее применяемых понятий, в настоящее время в ряде школьных программ не используется. Но при его помощи легче объяснить принципы составления уравнений химических реакций. Под валентностью понимают число химических связей, которые тот или иной атом может образовывать с другим, или другими атомами . Валентность не имеет знака (+ или -) и обозначается римскими цифрами, как правило, над символами химических элементов, например:
Откуда берутся эти значения? Как их применять при составлении химических уравнений? Числовые значения валентностей элементов совпадают с их номером группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (Таблица 1).
Для других элементов значения валентностей могут иметь иные значения, но никогда не больше номера группы, в которой они расположены. Причём для чётных номеров групп (IV и VI) валентности элементов принимают только чётные значения, а для нечётных – могут иметь как чётные, так и нечётные значения (Таблица.2).
Конечно же, в значениях валентностей для некоторых элементов имеются исключения, но в каждом конкретном случае эти моменты обычно оговариваются. Теперь рассмотрим общий принцип составления химических уравнений по заданным валентностям для тех или иных элементов. Чаще всего данный метод приемлем в случае составления уравнений химических реакций соединения простых веществ, например, при взаимодействии с кислородом (реакции окисления ). Допустим, необходимо отобразить реакцию окисления алюминия . Но напомним, что металлы обозначаются единичными атомами (Al), а неметаллы, находящиеся в газообразном состоянии – с индексами «2» - (О 2). Сначала напишем общую схему реакции:
Al + О 2 →AlО
На данном этапе ещё не известно, какое правильное написание должно быть у оксида алюминия. И вот именно на данном этапе нам на помощь придёт знание валентностей элементов. Для алюминия и кислорода проставим их над предполагаемой формулой этого оксида:
III II
Al О
После чего «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III II
Al 2 О 3
Состав химического соединения Al 2 О 3 определён. Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
Al+ О 2 →Al 2 О 3
Остаётся только уравнять левую и правую его части. Поступим таким же способом, как в случае составления уравнения (19). Количества атомов кислорода уравняем, прибегая к нахождению наименьшего кратного:
до реакции после реакции
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение. Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Что бы добиться равенства по алюминию, необходимо скорректировать его количество в левой части уравнения, поставив коэффициент «4»:
4Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Таким образом, равенство по алюминию и кислороду соблюдено и в целом, уравнение примет окончательный вид:
4Al + 3О 2 = 2Al 2 О 3 (22)
Применяя метод валентностей, можно прогнозировать, какое вещество образуется в процессе химической реакции, как будет выглядеть его формула. Допустим, в реакцию соединения вступили азот и водород с соответствующими валентностями III и I. Напишем общую схему реакции:
N 2 + Н 2 → NН
Для азота и водорода проставим валентности над предполагаемой формулой этого соединения:
Как и прежде «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III I
N Н 3
Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
N 2 + Н 2 → NН 3
Уравнивая уже известным способом, через наименьшее кратное для водорода, равное «6»,получим искомые коэффициенты, и уравнение в целом:
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3 (23)
При составлении уравнений по степеням окисления реагирующих веществ необходимо напомнить, что степенью окисления того или иного элемента называется число принятых или отданных в процессе химической реакции электронов. Степень окисления в соединениях в основном, численно совпадает со значениями валентностей элемента. Но отличаются знаком. Например, для водорода валентность равна I, а степень окисления (+1) или (-1). Для кислорода валентность равна II, а степень окисления (-2). Для азота валентности равны I,II,III,IV,V, а степени окисления (-3), (+1), (+2), (+3), (+4), (+5) и т.д. Степени окисления наиболее часто применяемых в уравнениях элементов, приведены в таблице 3.
В случае реакций соединения принцип составления уравнений по степеням окисления такой же, как и при составлении по валентностям. Например, приведём уравнение реакции окисления хлора кислородом, в которой хлор образует соединение со степенью окисления +7. Запишем предполагаемое уравнение:
Cl 2 + О 2 → ClО
Поставим над предполагаемым соединением ClО степени окисления соответствующих атомов:
Как и в предыдущих случаях установим, что искомая формула соединения примет вид:
7 -2
Cl 2 О 7
Уравнение реакции примет следующий вид:
Cl 2 + О 2 → Cl 2 О 7
Уравнивая по кислороду, найдя наименьшее кратное между двумя и семи, равное «14», установим в итоге равенство:
2Cl 2 + 7О 2 = 2Cl 2 О 7 (24)
Несколько иной способ необходимо применять со степенями окисления при составлении реакций обмена, нейтрализации, замещения. В ряде случаев предоставляется затруднительным узнать: какие соединения образуются при взаимодействии сложных веществ?
Как узнать: что получится в процессе реакции?
Действительно, как узнать: какие продукты реакции могут возникнут в ходе конкретной реакции? К примеру, что образуется при взаимодействии нитрата бария и сульфата калия?
Ва(NО 3) 2 + К 2 SO 4 → ?
Может быть ВаК 2 (NО 3) 2 + SO 4 ? Или Ва + NО 3 SO 4 + К 2 ? Или ещё что-то? Конечно же, в процессе этой реакции образуются соединения: ВаSO 4 и КNО 3 . А откуда это известно? И как правильно написать формулы веществ? Начнём с того, что чаще всего упускается из вида: с самого понятия «реакция обмена». Это значит, что при данных реакциях вещества меняются друг с другом составными частями. Поскольку реакции обмена в большинстве своём осуществляются межу основаниями, кислотами или солями, то частями, которыми они будут меняться, являются катионы металлов (Na + , Mg 2+ ,Al 3+ ,Ca 2+ ,Cr 3+), ионов Н + или ОН - , анионов – остатков кислот, (Cl - , NO 3 2- ,SO 3 2- , SO 4 2- , CO 3 2- , PO 4 3-). В общем виде реакцию обмена можно привести в следующей записи:
Kt1An1 + Kt2An1 = Kt1An2 + Kt2An1 (25)
Где Kt1 и Kt2 – катионы металлов (1) и (2), а An1 и An2 – соответствующие им анионы (1) и (2). При этом обязательно надо учитывать, что в соединениях до реакции и после реакции на первом месте всегда устанавливаются катионы, а анионы – на втором. Следовательно, если в реакцию вступит хлорид калия и нитрат серебра , оба в растворённом состоянии
KCl + AgNO 3 →
то в процессе её образуются вещества KNO 3 и AgClи соответствующее уравнение примет вид:
KCl + AgNO 3 =KNO 3 + AgCl (26)
При реакциях нейтрализации протоны от кислот (Н +) будут соединяться с анионами гидроксила (ОН -) с образованием воды (Н 2 О):
НCl + КОН = КCl + Н 2 O (27)
Степени окисления катионов металлов и заряды анионов кислотных остатков указаны в таблице растворимости веществ (кислот, солей и оснований в воде). По горизонтали приведены катионы металлов, а по вертикали – анионы кислотных остатков.
Исходя из этого, при составлении уравнения реакции обмена, необходимо вначале в левой его части установить степени окисления принимающих в этом химическом процессе частиц. Например, требуется написать уравнение взаимодействия между хлоридом кальция и карбонатом натрия.Составим исходную схему этой реакции:
СаCl + NаСО 3 →
Са 2+ Cl - + Nа + СО 3 2- →
Совершив уже известное действие «крест»-на-«крест», определим реальные формулы исходных веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 → СаСО 3 + NаCl
Над их катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Са 2+ СО 3 2- + Nа + Cl -
Формулы веществ записаны правильно, в соответствии с зарядами катионов и анионов. Составим полное уравнение, уравняв левую и правую его части по натрию и хлору:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 = СаСО 3 + 2NаCl (28)
В качестве другого примера приведём уравнение реакции нейтрализации между гидроксидом бария и ортофосфорной кислотой:
ВаОН + НРО 4 →
Над катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Ва 2+ ОН - + Н + РО 4 3- →
Определим реальные формулы исходных веществ:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ, учитывая, что при реакции обмена одним из веществ обязательно должна быть вода:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 2+ РО 4 3- + Н 2 O
Определим правильную запись формулы соли, образовавшейся в процессе реакции:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Уравняем левую часть уравнения по барию:
3Ва (ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Поскольку в правой части уравнения остаток ортофосфорной кислоты взят дважды, (РО 4) 2 , то слева необходимо также удвоить её количество:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Осталось привести в соответствие количество атомов водорода и кислорода в правой части у воды. Так как слева общее количество атомов водорода равно 12, то справа оно так же должно соответствовать двенадцати, поэтому перед формулой воды необходимо поставить коэффициент «6» (поскольку в молекуле воды уже имеется 2 атома водорода). По кислороду так же соблюдено равенство: слева 14 и справа 14. Итак, уравнение имеет правильную форму записи:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + 6Н 2 O (29)
Возможность осуществления химических реакций
Мир состоит из великого множества веществ. Неисчислимо так же количество вариантов химических реакций между ними. Но можем ли мы, написав на бумаге то или иное уравнение утверждать, что ему будет соответствовать химическая реакция? Существует ошибочное мнение, что если правильно расставить коэффициенты в уравнении, то оно будет осуществимо и на практике. Например, если взять раствор серной кислоты и опустить в него цинк , то можно наблюдать процесс выделения водорода:
Zn+ H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 (30)
Но если в этот же раствор опустить медь, то процесс выделения газа наблюдаться не будет. Реакция не осуществима.
Cu+ H 2 SO 4 ≠
В случае, если будет взята концентрированная серная кислота, она будет реагировать с медью:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2Н 2 O (31)
В реакции (23) между газами азотом и водородом наблюдается термодинамическое равновесие, т.е. сколько молекул аммиака NН 3 образуется в единицу времени, столько же их и распадётся обратно на азот и водород. Смещение химического равновесия можно добиться повышением давления и понижением температуры
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3
Если взять раствор гидроксида калия и прилить к нему раствор сульфата натрия , то никаких изменений наблюдаться не будет, реакция будет не осуществима:
КОН + Na 2 SO 4 ≠
Раствор хлорида натрия при взаимодействии с бромом не будет образовывать бром, несмотря на то, что данная реакция может быть отнесена к реакции замещения:
NаCl + Br 2 ≠
В чём же причины таких несоответствий? Дело в том, что оказывается недостаточно только правильно определять формулы соединений , необходимо знать специфику взаимодействия металлов с кислотами, умело пользоваться таблицей растворимости веществ, знать правила замещения в ряду активности металлов и галогенов. В этой статье излагаются только самые основные принципы как расставить коэффициенты в уравнениях реакций , как написать молекулярные уравнения , как определить состав химического соединения.
Химия, как наука, чрезвычайно разнообразна и многогранна. В приведённой статье отражена лишь малая часть процессов, происходящих в реальном мире. Не рассмотрены типы , термохимические уравнения, электролиз, процессы органического синтеза и многое, многое другое. Но об этом в следующих статьях.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях
.
То есть, если с окружающими нас веществами ничего не происходит, то это не относится к химии. Но что значит, «ничего не происходит»? Если в поле нас вдруг застала гроза, и мы все промокли, как говорится «до нитки», то это ли не превращение: ведь одежда была сухой, а стала мокрой.
Если, к примеру взять железный гвоздь, обработать его напильником, а затем собрать железные опилки (Fe ) , то это ли так же не превращение: был гвоздь – стал порошок. Но если после этого собрать прибор и провести получение кислорода (О 2) : нагреть перманганат калия (КМпО 4) и собрать в пробирку кислород, а затем в неё поместить раскалённые «до красна» эти железные опилки, то они вспыхнут ярким пламенем и после сгорания превратятся в порошок бурого цвета. И это так же превращение. Так где же химия? Несмотря на то, что в этих примерах меняется форма (железный гвоздь) и состояние одежды (сухая, мокрая) – это не превращения. Дело в том, что сам по себе гвоздь как был веществом (железо), так им и остался, несмотря на другую свою форму, а воду от дождя как впитала наша одежда, так потом его и испарила в атмосферу. Сама вода не изменилась. Так что же такое превращения с точки зрения химии?
Превращениями с точки зрения химии называются такие явления, которые сопровождаются изменением состава вещества. Возьмём в качестве примера тот же гвоздь. Не важно, какую форму он принял после обработки напильником, но после того как собранные от него железные опилки поместили в атмосферу кислорода - он превратился в оксид железа (Fe 2 O 3 ) . Значит, что-то всё-таки изменилось? Да, изменилось. Было вещество гвоздь, но под воздействием кислорода сформировалось новое вещество – оксид элемента железа. Молекулярное уравнение этого превращения можно отобразить следующими химическими символами:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 (1)
Для непосвящённого в химии человека сразу возникают вопросы. Что такое «молекулярное уравнение», что такое Fe? Почему поставлены цифры «4», «3», «2»? Что такое маленькие цифры «2» и «3» в формуле Fe 2 O 3 ? Это значит, наступило время во всём разобраться по порядку.
Знаки химических элементов.
Несмотря на то, что химию начинают изучать в 8-м классе, а некоторые даже раньше, многим известен великий русский химик Д. И. Менделеев. И конечно же, его знаменитая «Периодическая система химических элементов». Иначе, проще, её называют «Таблица Менделеева».
В этой таблице, в соответствующем порядке, располагаются элементы. К настоящему времени их известно около 120. Названия многих элементов нам были известны ещё давно. Это: железо, алюминий, кислород, углерод, золото, кремний. Раньше мы не задумываясь применяли эти слова, отождествляя их с предметами: железный болт, алюминиевая проволока, кислород в атмосфере, золотое кольцо и т.д. и т.д. Но на самом деле все эти вещества (болт, проволока, кольцо) состоят из соответствующих им элементов. Весь парадокс состоит в том, что элемент нельзя потрогать, взять в руки. Как же так? В таблице Менделеева они есть, а взять их нельзя! Да, именно так. Химический элемент – это абстрактное (то есть отвлечённое) понятие, и используется в химии, впрочем как и в других науках, для расчётов, составления уравнений, при решении задач. Каждый элемент отличается от другого тем, что для него характерна своя электронная конфигурация атома. Количество протонов в ядре атома равно количеству электронов в его орбиталях. К примеру, водород – элемент №1. Его атом состоит из 1-го протона и 1-го электрона. Гелий – элемент №2. Его атом состоит из 2-х протонов и 2-х электронов. Литий – элемент №3. Его атом состоит из 3-х протонов и 3-х электронов. Дармштадтий – элемент №110. Его атом состоит из 110-и протонов и 110-и электронов.
Каждый элемент обозначается определённым символом, латинскими буквами, и имеет определённое прочтение в переводе с латинского. Например, водород имеет символ «Н» , читается как «гидрогениум» или «аш». Кремний имеет символ «Si» читается как «силициум». Ртуть имеет символ «Нg» и читается как «гидраргирум». И так далее. Все эти обозначения можно найти в любом учебнике химии за 8-й класс. Для нас сейчас главное уяснить то, что при составлении химических уравнений, необходимо оперировать указанными символами элементов.
Простые и сложные вещества.
Обозначая единичными символами химических элементов различные вещества (Hg ртуть , Fe железо , Cu медь , Zn цинк , Al алюминий ) мы по сути обозначаем простые вещества, то есть вещества, состоящие из атомов одного вида (содержащие одно и то же количество протонов и нейтронов в атоме). Например, если во взаимодействие вступают вещества железо и сера, то уравнение примет следующую форму записи:
Fe + S = FeS (2)
К простым веществам относятся металлы (Ва, К, Na, Mg, Ag), а так же неметаллы (S, P, Si, Cl 2 , N 2 , O 2 , H 2). Причём следует обратить
особое внимание на то, что все металлы обозначаются единичными символами: К, Ва, Са, Аl, V, Mg и т.д., а неметаллы – либо простыми символами: C,S,P или могут иметь различные индексы, которые указывают на их молекулярное строение: H 2 , Сl 2 , О 2 , J 2 , P 4 , S 8 . В дальнейшем это будет иметь очень большое значение при составлении уравнений. Совсем не трудно догадаться, что сложными веществами являются вещества, образованные из атомов разного вида, например,
1). Оксиды:
оксид алюминия
Al 2 O 3 , оксид натрия
Na 2 O,
оксид меди
CuO,
оксид цинка
ZnO,
оксид титана
Ti 2 O 3 ,
угарный газ
или оксид углерода (+2)
CO,
оксид серы (+6)
SO 3
2). Основания:
гидроксид железа
(+3) Fe(OH) 3 ,
гидроксид меди
Cu(OH) 2 ,
гидроксид калия или щёлочь калия
КOH,
гидроксид натрия
NaOH.
3). Кислоты:
соляная кислота
HCl,
сернистая кислота
H 2 SO 3 ,
азотная кислота
HNO 3
4). Соли:
тиосульфат натрия
Na 2 S 2 O 3 ,
сульфат натрия
или глауберова соль
Na 2 SO 4 ,
карбонат кальция
или известняк
СаCO 3,
хлорид меди
CuCl 2
5). Органические вещества:
ацетат натрия
СН 3 СООNa,
метан
СН 4 ,
ацетилен
С 2 Н 2 ,
глюкоза
С 6 Н 12 О 6
Наконец, после того как мы выяснили структуру различных веществ, можно приступать к составлению химических уравнений.
Химическое уравнение.
Само слово «уравнение» производное от слова «уравнять», т.е. разделить нечто на равные части. В математике уравнения составляют чуть ли не самую сущность этой науки. К примеру, можно привести такое простое уравнение, в котором левая и правая части будут равны «2»:
40: (9 + 11) = (50 х 2) : (80 – 30);
И в химических уравнениях тот же принцип: левая и правая части уравнения должны соответствовать одинаковым количествам атомов, участвующим в них элементов. Или, если приводится ионное уравнение, то в нём число частиц так же должно соответствовать этому требованию. Химическим уравнением называется условная запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков. Химическое уравнение по своей сути отражает ту или иную химическую реакцию, то есть процесс взаимодействия веществ, в процессе которых возникают новые вещества. Например, необходимо написать молекулярное уравнение реакции, в которой принимают участие хлорид бария ВаСl 2 и серная кислота H 2 SO 4. В результате этой реакции образуется нерастворимый осадок – сульфат бария ВаSO 4 и соляная кислота НСl:
ВаСl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2НСl (3)
Прежде всего необходимо уяснить, что большая цифра «2», стоящая перед веществом НСlназывается коэффициентом, а малые цифры «2», «4» под формулами ВаСl 2 , H 2 SO 4 ,BaSO 4 называются индексами. И коэффициенты и индексы в химических уравнениях выполняют роль множителей, а не слагаемых. Что бы правильно записать химическое уравнение, необходимо расставить коэффициенты в уравнении реакции . Теперь приступим к подсчёту атомов элементов в левой и правой частях уравнения. В левой части уравнения: в веществе ВаСl 2 содержатся 1 атом бария (Ва), 2 атома хлора (Сl). В веществе H 2 SO 4: 2 атома водорода (Н), 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О) . В правой части уравнения: в веществе BaSO 4 1 атом бария (Ва) 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О), в веществе НСl: 1 атом водорода (Н) и 1 атом хлора (Сl). Откуда следует, что в правой части уравнения количество атомов водорода и хлора вдвое меньше, чем в левой части. Следовательно, перед формулой НСl в правой части уравнения необходимо поставить коэффициент «2». Если теперь сложить количества атомов элементов, участвующих в данной реакции, и слева и справа, то получим следующий баланс:
В обеих частях уравнения количества атомов элементов, участвующих в реакции, равны, следовательно оно составлено правильно.
Химические уравнение и химические реакции
Как мы уже выяснили, химические уравнения являются отражением химических реакций. Химическими реакциями называются такие явления, в процессе которых происходит превращение одних веществ в другие. Среди их многообразия можно выделить два основных типа:
1). Реакции соединения
2). Реакции разложения.
В подавляющем своём большинстве химические реакции принадлежат к реакциям присоединения, поскольку с отдельно взятым веществом редко могут происходить изменения в его составе, если оно не подвергается воздействиям извне (растворению, нагреванию, действию света). Ничто так не характеризует химическое явление, или реакцию, как изменения, происходящие при взаимодействии двух и более веществ. Такие явления могут осуществляться самопроизвольно и сопровождаться повышением или понижением температуры, световыми эффектами, изменением цвета, образованием осадка, выделением газообразных продуктов, шумом.
Для наглядности приведём несколько уравнений, отражающих процессы реакций соединения, в процессе которых получаются хлорид натрия (NaCl), хлорид цинка (ZnCl 2), осадок хлорида серебра (AgCl), хлорид алюминия (AlCl 3)
Cl 2 + 2Nа = 2NaCl (4)
СuCl 2 + Zn= ZnCl 2 + Сu (5)
AgNO 3 + КCl = AgCl + 2KNO 3 (6)
3HCl + Al(OH) 3 = AlCl 3 + 3Н 2 О (7)
Cреди реакций соединения следует особым образом отметить следующие: замещения (5), обмена (6), и как частный случай реакции обмена – реакцию нейтрализации (7).
К реакциям замещения относятся такие, при осуществлении которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. В примере (5) атомы цинка замещают из раствора СuCl 2 атомы меди, при этом цинк переходит в растворимую соль ZnCl 2 , а медь выделяется из раствора в металлическом состоянии.
К реакциям обмена относятся такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями. В случае реакции (6) растворимые соли AgNO 3 и КCl при сливании обоих растворов образуют нерастворимый осадок соли AgCl. При этом они обмениваются своими составными частями – катионами и анионами. Катионы калия К + присоединяются к анионам NO 3 , а катионы серебра Ag + – к анионам Cl - .
К особому, частному случаю, реакций обмена относится реакция нейтрализации. К реакциям нейтрализации относятся такие реакции, в процессе которых кислоты реагируют с основаниями, в результате образуется соль и вода. В примере (7) соляная кислота HCl , реагируя с основанием Al(OH) 3 образует соль AlCl 3 и воду. При этом катионы алюминия Al 3+ от основания обмениваются с анионами Сl - от кислоты. В итоге происходит нейтрализация соляной кислоты.
К реакциям разложения относятся такие, при котором из одного сложного образуются два и более новых простых или сложных веществ, но более простого состава. В качестве реакций можно привести такие, в процессе которых разлагаются 1). Нитрат калия (КNO 3) с образованием нитрита калия (КNO 2) и кислорода (O 2); 2). Перманганат калия (KMnO 4): образуются манганат калия (К 2 МnO 4), оксид марганца (MnO 2) и кислород (O 2); 3). Карбонат кальция или мрамор ; в процессе образуются углекислый газ (CO 2) и оксид кальция (СаО)
2КNO 3 = 2КNO 2 + O 2 (8)
2KMnO 4 = К 2 МnO 4 + MnO 2 + O 2 (9)
СаCO 3 = CaO + CO 2 (10)
В реакции (8) из сложного вещества образуется одно сложное и одно простое. В реакции (9) – два сложных и одно простое. В реакции (10) – два сложных вещества, но более простых по составу
Разложению подвергаются все классы сложных веществ:
1). Оксиды: оксид серебра 2Ag 2 O = 4Ag + O 2 (11)
2). Гидроксиды: гидроксид железа 2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O (12)
3). Кислоты: серная кислота H 2 SO 4 = SO 3 + H 2 O (13)
4). Соли: карбонат кальция СаCO 3 = СаO + CO 2 (14)
5). Органические вещества: спиртовое брожение глюкозы
С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОH + 2CO 2 (15)
Согласно другой классификации, все химические реакции можно разделить на два типа: реакции, идущие с выделением теплоты, их называют экзотермические, и реакции, идущие с поглощением теплоты – эндотермические. Критерием таких процессов является тепловой эффект реакции. Как правило, к экзотермическим реакциям относятся реакции окисления, т.е. взаимодействия с кислородом, например сгорание метана :
СН 4 + 2O 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Q (16)
а к эндотермическим реакциям – реакции разложения, уже приводимые выше (11) – (15). Знак Q в конце уравнения указывает на то, выделяется ли теплота в процессе реакции (+Q) или поглощается (-Q):
СаCO 3 = СаO+CO 2 - Q (17)
Можно так же рассматривать все химические реакции по типу изменения степени окисления, участвующих в их превращениях элементов. К примеру, в реакции (17) участвующие в ней элементы не меняют свои степени окисления:
Са +2 C +4 O 3 -2 = Са +2 O -2 +C +4 O 2 -2 (18)
А в реакции (16) элементы меняют свои степени окисления:
2Mg 0 + O 2 0 = 2Mg +2 O -2
Реакции такого типа относятся к окислительно-восстановительным . Они будут рассматриваться отдельно. Для составления уравнений по реакциям такого типа необходимо использовать метод полуреакций и применять уравнение электронного баланса.
После приведения различных типов химических реакций, можно приступать к принципу составлений химических уравнений, иначе, подбору коэффициентов в левой и правой их частях.
Механизмы составления химических уравнений.
К какому бы типу ни относилась та или иная химическая реакция, её запись (химическое уравнение) должна соответствовать условию равенства количества атомов до реакции и после реакции.
Существуют такие уравнения (17), которые не требуют уравнивания, т.е. расстановки коэффициентов. Но в большинстве случаях, как в примерах (3), (7), (15), необходимо предпринимать действия, направленные на уравнивание левой и правой частей уравнения. Какими же принципами необходимо руководствоваться в таких случаях? Существует ли какая ни будь система в подборе коэффициентов? Существует, и не одна. К таковым системам относятся:
1). Подбор коэффициентов по заданным формулам.
2). Составление по валентностям реагирующих веществ.
3). Составление по степеням окисления реагирующих веществ.
В первом случае полагается, что нам известны формулы реагирующих веществ как до реакции, так и после. К примеру, дано следующее уравнение:
N 2 + О 2 →N 2 О 3 (19)
Принято считать, что пока не установлено равенство между атомами элементов до реакции и после, знак равенства (=) в уравнении не ставится, а заменяется стрелкой (→). Теперь приступим к собственно уравниванию. В левой части уравнения имеются 2 атома азота (N 2) и два атома кислорода (О 2), а в правой – два атома азота (N 2) и три атома кислорода (О 3). По количеству атомов азота его уравнивать не надо, но по кислороду необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало три атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
О 2 О 3
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «6».
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 →N 2 О 3
Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Количества атомов кислорода и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 6 атомов:
Но количество атомов азота в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
В левой – два атома, в правой – четыре атома. Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество азота в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по азоту соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Теперь в уравнении можно вместо стрелки поставит знак равенства:
2N 2 + 3О 2 = 2N 2 О 3 (20)
Приведём другой пример. Дано следующее уравнение реакции:
Р + Cl 2 → РCl 5
В левой части уравнения имеется 1 атом фосфора (Р) и два атома хлора (Cl 2), а в правой – один атом фосфора (Р) и пять атомов кислорода (Cl 5). По количеству атомов фосфора его уравнивать не надо, но по хлору необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало пять атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
Cl 2 Cl 5
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «10».
Cl 2 Cl 5
\ 10 /
Разделим это число в левой части уравнения по хлору на «2». Получим число «5», поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → РCl 5
Так же разделим число «10» для правой части уравнения на «5». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → 2РCl 5
Количества атомов хлора и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 10 атомов:
Но количество атомов фосфора в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество фосфора в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по фосфору соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2Р + 5Cl 2 = 2РCl 5 (21)
При составлении уравнений по валентностям необходимо дать определение валентности и установить значения для наиболее известных элементов. Валентность – это одно из ранее применяемых понятий, в настоящее время в ряде школьных программ не используется. Но при его помощи легче объяснить принципы составления уравнений химических реакций. Под валентностью понимают число химических связей, которые тот или иной атом может образовывать с другим, или другими атомами . Валентность не имеет знака (+ или -) и обозначается римскими цифрами, как правило, над символами химических элементов, например:
Откуда берутся эти значения? Как их применять при составлении химических уравнений? Числовые значения валентностей элементов совпадают с их номером группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (Таблица 1).
Для других элементов значения валентностей могут иметь иные значения, но никогда не больше номера группы, в которой они расположены. Причём для чётных номеров групп (IV и VI) валентности элементов принимают только чётные значения, а для нечётных – могут иметь как чётные, так и нечётные значения (Таблица.2).
Конечно же, в значениях валентностей для некоторых элементов имеются исключения, но в каждом конкретном случае эти моменты обычно оговариваются. Теперь рассмотрим общий принцип составления химических уравнений по заданным валентностям для тех или иных элементов. Чаще всего данный метод приемлем в случае составления уравнений химических реакций соединения простых веществ, например, при взаимодействии с кислородом (реакции окисления ). Допустим, необходимо отобразить реакцию окисления алюминия . Но напомним, что металлы обозначаются единичными атомами (Al), а неметаллы, находящиеся в газообразном состоянии – с индексами «2» - (О 2). Сначала напишем общую схему реакции:
Al + О 2 →AlО
На данном этапе ещё не известно, какое правильное написание должно быть у оксида алюминия. И вот именно на данном этапе нам на помощь придёт знание валентностей элементов. Для алюминия и кислорода проставим их над предполагаемой формулой этого оксида:
III II
Al О
После чего «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III II
Al 2 О 3
Состав химического соединения Al 2 О 3 определён. Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
Al+ О 2 →Al 2 О 3
Остаётся только уравнять левую и правую его части. Поступим таким же способом, как в случае составления уравнения (19). Количества атомов кислорода уравняем, прибегая к нахождению наименьшего кратного:
до реакции после реакции
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение. Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Что бы добиться равенства по алюминию, необходимо скорректировать его количество в левой части уравнения, поставив коэффициент «4»:
4Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Таким образом, равенство по алюминию и кислороду соблюдено и в целом, уравнение примет окончательный вид:
4Al + 3О 2 = 2Al 2 О 3 (22)
Применяя метод валентностей, можно прогнозировать, какое вещество образуется в процессе химической реакции, как будет выглядеть его формула. Допустим, в реакцию соединения вступили азот и водород с соответствующими валентностями III и I. Напишем общую схему реакции:
N 2 + Н 2 → NН
Для азота и водорода проставим валентности над предполагаемой формулой этого соединения:
Как и прежде «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III I
N Н 3
Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
N 2 + Н 2 → NН 3
Уравнивая уже известным способом, через наименьшее кратное для водорода, равное «6»,получим искомые коэффициенты, и уравнение в целом:
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3 (23)
При составлении уравнений по степеням окисления реагирующих веществ необходимо напомнить, что степенью окисления того или иного элемента называется число принятых или отданных в процессе химической реакции электронов. Степень окисления в соединениях в основном, численно совпадает со значениями валентностей элемента. Но отличаются знаком. Например, для водорода валентность равна I, а степень окисления (+1) или (-1). Для кислорода валентность равна II, а степень окисления (-2). Для азота валентности равны I,II,III,IV,V, а степени окисления (-3), (+1), (+2), (+3), (+4), (+5) и т.д. Степени окисления наиболее часто применяемых в уравнениях элементов, приведены в таблице 3.
В случае реакций соединения принцип составления уравнений по степеням окисления такой же, как и при составлении по валентностям. Например, приведём уравнение реакции окисления хлора кислородом, в которой хлор образует соединение со степенью окисления +7. Запишем предполагаемое уравнение:
Cl 2 + О 2 → ClО
Поставим над предполагаемым соединением ClО степени окисления соответствующих атомов:
Как и в предыдущих случаях установим, что искомая формула соединения примет вид:
7 -2
Cl 2 О 7
Уравнение реакции примет следующий вид:
Cl 2 + О 2 → Cl 2 О 7
Уравнивая по кислороду, найдя наименьшее кратное между двумя и семи, равное «14», установим в итоге равенство:
2Cl 2 + 7О 2 = 2Cl 2 О 7 (24)
Несколько иной способ необходимо применять со степенями окисления при составлении реакций обмена, нейтрализации, замещения. В ряде случаев предоставляется затруднительным узнать: какие соединения образуются при взаимодействии сложных веществ?
Как узнать: что получится в процессе реакции?
Действительно, как узнать: какие продукты реакции могут возникнут в ходе конкретной реакции? К примеру, что образуется при взаимодействии нитрата бария и сульфата калия?
Ва(NО 3) 2 + К 2 SO 4 → ?
Может быть ВаК 2 (NО 3) 2 + SO 4 ? Или Ва + NО 3 SO 4 + К 2 ? Или ещё что-то? Конечно же, в процессе этой реакции образуются соединения: ВаSO 4 и КNО 3 . А откуда это известно? И как правильно написать формулы веществ? Начнём с того, что чаще всего упускается из вида: с самого понятия «реакция обмена». Это значит, что при данных реакциях вещества меняются друг с другом составными частями. Поскольку реакции обмена в большинстве своём осуществляются межу основаниями, кислотами или солями, то частями, которыми они будут меняться, являются катионы металлов (Na + , Mg 2+ ,Al 3+ ,Ca 2+ ,Cr 3+), ионов Н + или ОН - , анионов – остатков кислот, (Cl - , NO 3 2- ,SO 3 2- , SO 4 2- , CO 3 2- , PO 4 3-). В общем виде реакцию обмена можно привести в следующей записи:
Kt1An1 + Kt2An1 = Kt1An2 + Kt2An1 (25)
Где Kt1 и Kt2 – катионы металлов (1) и (2), а An1 и An2 – соответствующие им анионы (1) и (2). При этом обязательно надо учитывать, что в соединениях до реакции и после реакции на первом месте всегда устанавливаются катионы, а анионы – на втором. Следовательно, если в реакцию вступит хлорид калия и нитрат серебра , оба в растворённом состоянии
KCl + AgNO 3 →
то в процессе её образуются вещества KNO 3 и AgClи соответствующее уравнение примет вид:
KCl + AgNO 3 =KNO 3 + AgCl (26)
При реакциях нейтрализации протоны от кислот (Н +) будут соединяться с анионами гидроксила (ОН -) с образованием воды (Н 2 О):
НCl + КОН = КCl + Н 2 O (27)
Степени окисления катионов металлов и заряды анионов кислотных остатков указаны в таблице растворимости веществ (кислот, солей и оснований в воде). По горизонтали приведены катионы металлов, а по вертикали – анионы кислотных остатков.
Исходя из этого, при составлении уравнения реакции обмена, необходимо вначале в левой его части установить степени окисления принимающих в этом химическом процессе частиц. Например, требуется написать уравнение взаимодействия между хлоридом кальция и карбонатом натрия.Составим исходную схему этой реакции:
СаCl + NаСО 3 →
Са 2+ Cl - + Nа + СО 3 2- →
Совершив уже известное действие «крест»-на-«крест», определим реальные формулы исходных веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 → СаСО 3 + NаCl
Над их катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Са 2+ СО 3 2- + Nа + Cl -
Формулы веществ записаны правильно, в соответствии с зарядами катионов и анионов. Составим полное уравнение, уравняв левую и правую его части по натрию и хлору:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 = СаСО 3 + 2NаCl (28)
В качестве другого примера приведём уравнение реакции нейтрализации между гидроксидом бария и ортофосфорной кислотой:
ВаОН + НРО 4 →
Над катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Ва 2+ ОН - + Н + РО 4 3- →
Определим реальные формулы исходных веществ:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ, учитывая, что при реакции обмена одним из веществ обязательно должна быть вода:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 2+ РО 4 3- + Н 2 O
Определим правильную запись формулы соли, образовавшейся в процессе реакции:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Уравняем левую часть уравнения по барию:
3Ва (ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Поскольку в правой части уравнения остаток ортофосфорной кислоты взят дважды, (РО 4) 2 , то слева необходимо также удвоить её количество:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Осталось привести в соответствие количество атомов водорода и кислорода в правой части у воды. Так как слева общее количество атомов водорода равно 12, то справа оно так же должно соответствовать двенадцати, поэтому перед формулой воды необходимо поставить коэффициент «6» (поскольку в молекуле воды уже имеется 2 атома водорода). По кислороду так же соблюдено равенство: слева 14 и справа 14. Итак, уравнение имеет правильную форму записи:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + 6Н 2 O (29)
Возможность осуществления химических реакций
Мир состоит из великого множества веществ. Неисчислимо так же количество вариантов химических реакций между ними. Но можем ли мы, написав на бумаге то или иное уравнение утверждать, что ему будет соответствовать химическая реакция? Существует ошибочное мнение, что если правильно расставить коэффициенты в уравнении, то оно будет осуществимо и на практике. Например, если взять раствор серной кислоты и опустить в него цинк , то можно наблюдать процесс выделения водорода:
Zn+ H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 (30)
Но если в этот же раствор опустить медь, то процесс выделения газа наблюдаться не будет. Реакция не осуществима.
Cu+ H 2 SO 4 ≠
В случае, если будет взята концентрированная серная кислота, она будет реагировать с медью:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2Н 2 O (31)
В реакции (23) между газами азотом и водородом наблюдается термодинамическое равновесие, т.е. сколько молекул аммиака NН 3 образуется в единицу времени, столько же их и распадётся обратно на азот и водород. Смещение химического равновесия можно добиться повышением давления и понижением температуры
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3
Если взять раствор гидроксида калия и прилить к нему раствор сульфата натрия , то никаких изменений наблюдаться не будет, реакция будет не осуществима:
КОН + Na 2 SO 4 ≠
Раствор хлорида натрия при взаимодействии с бромом не будет образовывать бром, несмотря на то, что данная реакция может быть отнесена к реакции замещения:
NаCl + Br 2 ≠
В чём же причины таких несоответствий? Дело в том, что оказывается недостаточно только правильно определять формулы соединений , необходимо знать специфику взаимодействия металлов с кислотами, умело пользоваться таблицей растворимости веществ, знать правила замещения в ряду активности металлов и галогенов. В этой статье излагаются только самые основные принципы как расставить коэффициенты в уравнениях реакций , как написать молекулярные уравнения , как определить состав химического соединения.
Химия, как наука, чрезвычайно разнообразна и многогранна. В приведённой статье отражена лишь малая часть процессов, происходящих в реальном мире. Не рассмотрены типы , термохимические уравнения, электролиз, процессы органического синтеза и многое, многое другое. Но об этом в следующих статьях.
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Химическое уравнение представляет собой запись реакции с помощью символов элементов и формул соединений, принимающих в ней участие. Относительные количества реагентов и продуктов, выраженные в молях, указываются численными коэффициентами в полном (сбалансированном) уравнении реакции. Эти коэффициенты иногда называют стехиометрическими коэффициентами. В настоящее время наблюдается все возрастающая тенденция включать в химические уравнения указания физического состояния реагентов и продуктов. Это делается с помощью следующих обозначений: (газ) или означает газообразное состояние, (-жидкость, ) - твердое вещество, (-водный раствор.
Химическое уравнение может быть составлено на основе экспериментально установленного знания реагентов и продуктов изучаемой реакции, а также путем измерения относительных количеств каждого реагента и продукта, которые принимают участие в реакции.
Составление химического уравнения
Составление полного химического уравнения включает следующие четыре стадии.
1-я стадия. Запись реакции в словесном выражении. Например,
2-я стадия. Замена словесных названий формулами реагентов и продуктов.
3-я стадия. Балансировка уравнения (определение его коэффициентов)
Такое уравнение называется сбалансированным или стехиометрическим. Необходимость сбалансировать уравнение диктуется тем, что в любой реакции должен выполняться закон сохранения материи. Применительно к реакции, рассматриваемой нами в качестве примера, это означает, что в ней не может ни образоваться, ни исчезнуть ни один атом магния, углерода или кислорода. Другими словами, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения должно быть одинаково.
4-я стадия. Указание физического состояния каждого участника реакции.
Типы химических уравнений
Рассмотрим следующее полное уравнение:
Это уравнение описывает всю реакционную систему в целом. Однако рассматриваемую реакцию можно также представить в упрощенном виде при помощи ионного уравнения-.
Это уравнение не включает сведений о сульфат-ионах которые не указаны в нем потому, что они не принимают участия в рассматриваемой реакции. Такие ионы называют ионами-наблюдателями.
Реакция между железом и медью (II) является примером окислительно-восстановительных реакций (см. гл. 10). Ее можно условно разделить на две реакции, одна из которых описывает восстановление, а другая - окисление, протекающие одновременно в общей реакции:
Эти два уравнения называются уравнениями полуреакций. Они особенно часто используются в электрохимии для описания процессов, протекающих на электродах (см. гл. 10).
Интерпретация химических уравнений
Рассмотрим следующее простое стехиометрическое уравнение:
Его можно интерпретировать двумя способами. Во-первых, согласно этому уравнению, один моль молекул водорода реагирует с одним молем молекул брома образуя два моля молекул бромоводорода Такое истолкование химического уравнения иногда называют его молярной интерпретацией.
Однако можно истолковать данное уравнение и так, что в результирующей реакции (см. ниже) одна молекула водорода реагирует с одной молекулой брома образуя две молекулы бромоводорода Подобное истолкование химического уравнения иногда называют его молекулярной интерпретацией.
И молярная, и молекулярная интерпретации одинаково правомочны. Однако было бы совершенно неправильно заключить на основании уравнения рассматриваемой реакции, что одна молекула водорода сталкивается с одной молекулой брома образуя две молекулы бромоводорода Дело в том, что данная реакция, как и большинство других, осуществляется в несколько последовательных стадий. Совокупность всех этих стадий принято называть механизмом реакции (см. гл. 9). В рассматриваемом нами примере реакция включает следующие стадии:
Таким образом, рассматриваемая реакция в действительности представляет собой цепную реакцию, в которой участвуют интермедиаты (промежуточные реагенты), называемые радикалами (см. гл. 9). Механизм рассматриваемой реакции включает еще и другие стадии и побочные реакции. Таким образом, стехиометрическое уравнение указывает только результирующую реакцию. Оно не дает сведений о механизме реакции.
Вычисления с помощью химических уравнений
Химические уравнения являются отправной точкой для самых разнообразных химических расчетов. Здесь и далее в книге дан ряд примеров подобных расчетов.
Вычисление массы реагентов и продуктов. Мы уже знаем, что сбалансированное химическое уравнение указывает относительные молярные количества реагентов и продуктов, участвующих в реакции. Эти количественные данные позволяют вычислять массы реагентов и продуктов.
Вычислим массу хлорида серебра, образующегося при добавлении избыточного количества раствора хлорида натрия к раствору, в котором содержится 0,1 моль серебра в форме ионов
Первой стадией всех подобных расчетов является запись уравнения рассматриваемой реакции: I
Поскольку в реакции используется избыточное количество хлорид-ионов, можно предположить, что все имеющиеся в растворе ионы превращаются в Уравнение реакции показывает, что из одного моля ионов получается один моль Это позволяет вычислить массу образующегося следующим образом:
Следовательно,
Поскольку г/моль, то
Определение концентрации растворов. Вычисления, основанные на стехиометрических уравнениях, лежат в основе количественного химического анализа. В качестве примера рассмотрим определение концентрации раствора по известной массе продукта, образующегося в реакции. Такая разновидность количественного химического анализа называется гравиметрическим анализом.
К раствору нитрата добавлено такое количество раствора иодида калия, которого достаточно, чтобы осадить весь свинец в форме иодида Масса образовавшегося иодида составила 2,305 г. Объем исходного раствора нитрата был равен Требуется определить концентрацию исходного раствора нитрата
Мы уже сталкивались с уравнением рассматриваемой реакции:
Это уравнение показывает, что для получения одного моля иодида необходим один моль нитрата свинца (II). Определим молярное количество образовавшегося в реакции иодида свинца (II). Поскольку
Окислительно-восстановительные реакции - это процесс «перетекания» электронов от одних атомов к другим. В результате происходит окисление или восстановление химических элементов, входящих в состав реагентов.
Основные понятия
Ключевой термин при рассмотрении окислительно-восстановительных реакций - это степень окисления, которая представляет собой условный заряд атома и количество перераспределяемых электронов. Окисление - процесс потери электронов, при котором увеличивается заряд атома. Восстановление, наоборот, представляет собой процесс присоединения электронов, при котором степень окисления уменьшается. Соответственно, окислитель принимает новые электроны, а восстановитель - теряет их, при этом такие реакции всегда происходят одновременно.
Определение степени окисления
Вычисление данного параметра - одна из самых популярных задач в школьном курсе химии. Поиск зарядов атомов может быть как элементарным вопросом, так и задачей, требующей скрупулезных расчетов: все зависит от сложности химической реакции и количества составляющих соединений. Хотелось бы, чтобы степени окисления указывались в периодической таблице и были всегда под рукой, однако этот параметр приходится либо запоминать, либо вычислять для конкретной реакции. Итак, существует два однозначных свойства:
- Сумма зарядов сложного соединения всегда равна нулю. Это значит, что часть атомов будет иметь положительную степень, а часть - отрицательную.
- Степень окисления элементарных соединений всегда равна нулю. Простыми называются соединения, которые состоят из атомов одного элемента, то есть железо Fe2, кислород O2 или октасера S8.
Существуют химические элементы, электрический заряд которых однозначен в любых соединениях. К таким относятся:
- -1 - F;
- -2 - О;
- +1 - H, Li, Ag, Na, K;
- +2 - Ba, Ca, Mg, Zn;
- +3 - Al.
Несмотря на однозначность, существуют некоторые исключения. Фтор F -уникальный элемент, степень окисления которого всегда составляет -1. Благодаря этому свойству многие элементы изменяют свой заряд в паре с фтором. Например, кислород в соединении с фтором имеет заряд +1 (O 2 F 2) или +2 (ОF2). Кроме того, кислород меняет свою степень в перекисных соединениях (в перекиси водорода H202 заряд равен -1). И, естественно, кислород имеет нулевую степень в своем простом соединении O2.
При рассмотрении окислительно-восстановительных реакций важно учитывать вещества, которые состоят из ионов. Атомы ионных химических элементов имеют степень окисления, равную заряду иона. Например, в соединении гидрида натрия NaH по идее водород имеет степень +1, однако ион натрия также имеет заряд +1. Так как соединение должно быть электрически нейтральным, то атом водорода принимает заряд -1. Отдельно в этой ситуации стоят ионы металлов, так как атомы таких элементов ионизируются на разные величины. К примеру, железо F ионизируется и на +2, и на +3 в зависимости от состава химического вещества.
Пример определения степеней окисления
Для простых соединений, которые включают в себя атомы с однозначным зарядом, распределение степеней окисления не составляет труда. Например, для воды H2O атом кислорода имеет заряд -2, а атом водорода +1, что в сумме дает нейтральный нуль. В более сложных соединениях встречаются атомы, которые могут иметь разный заряд и для определения степеней окисления приходится использовать метод исключения. Рассмотрим пример.
Сульфат натрия Na 2 SO 4 имеет в своем составе атом серы, заряд которого может принимать значения -2, +4 или +6. Какое значение выбрать? Первым делом определяем, что ион натрия имеет заряд +1. Кислород в подавляющем большинстве случаев имеет заряд –2. Составляем простое уравнение:
1 × 2 + S + (–2) × 4 = 0
Таким образом, заряд серы в сульфате натрия равен +6.
Расстановка коэффициентов по схеме реакции
Теперь, когда вы знаете, как определять заряды атомов, вы можете расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях для их балансировки. Стандартное задание по химии: подобрать коэффициенты реакции при помощи метода электронного баланса. В этих заданиях вам нет нужды определять, какие вещества образуются на выходе реакции, так как результат уже известен. Например, определите пропорции в простой реакции:
Na + O2 → Na 2 O
Итак, определим заряд атомов. Так как натрий и кислород в левой части уравнения - простые вещества, то их заряд равен нулю. В оксиде натрия Na2O кислород имеет заряд -2, а натрий +1. Мы видим, что в левой части уравнения натрий имеет нулевой заряд, а в правой – положительный +1. То же самое с кислородом, который изменил степень окисления с нуля до -2. Запишем это «химическим» языком, указав в скобках заряды элементов:
Na(0) – 1e = Na(+1)
O(0) + 2e = O(–2)
Для балансировки реакции требуется уравновесить кислород и добавить коэффициент 2 к оксиду натрия. Получим реакцию:
Na + O2 → 2Na2O
Теперь у нас дисбаланс по натрию, уравновесим его при помощи коэффициента 4:
4Na + O2 → 2Na2O
Теперь количество атомов элементов совпадают с обеих сторон уравнения, следовательно, реакция сбалансирована. Все это мы проделали вручную, и это было несложно, так как реакция сама по себе элементарна. Но что делать, если требуется сбалансировать реакцию вида K 2 Cr 2 O 7 + KI + H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4)3 + I2 + H 2 O + K 2 SO 4 ? Ответ прост: используйте калькулятор.
Калькулятор балансирования окислительно-восстановительных реакций
Наша программа позволяет автоматически расставить коэффициенты для самых распространенных химических реакций. Для этого вам необходимо вписать в поле программы реакцию или выбрать ее из раскрывающегося списка. Для решения выше представленной окислительно-восстановительной реакции вам достаточно выбрать ее из списка и нажать на кнопку «Рассчитать». Калькулятор мгновенно выдаст результат:
K 2 Cr 2 O 7 + 6KI + 7H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4)3 + 3I2 + 7H 2 O + 4K 2 SO 4
Использование калькулятора поможет вам быстро сбалансировать наиболее сложные химические реакции.
Заключение
Умение балансировать реакции необходимо всем школьникам и студентам, которые мечтают связать свою жизнь с химией. В целом расчеты выполняются по строго определенным правилам, для понимания которых достаточно элементарных знаний по химии и алгебре: помнить, что сумма степеней окисления атомов соединения всегда равна нулю и уметь решать линейные уравнения.
Публикации по теме
-
Чем утеплить цоколь дома снаружи Нужно ли утеплять фундамент дома с подвалом
Пётр КравецВремя на чтение: 3 минутыА А Строительство любого здания всегда проводится по рекомендациям СНиП и ТСН, все работы делаются при...
-
Когда нужно утепление фундамента и подвала снаружи и внутри Нужно ли утеплять цоколь
От качества и правильности выполнения теплоизоляционных работ зависит, во-первых, удобство и комфортность проживания в доме, во-вторых,...