✅Хімічні рівняння: пояснення

Хімічне рівняння – це умовне зображення хімічної реакції за допомогою хімічних формул речовин, числових коефіцієнтів і математичних символів.

При записі хімічних рівнянь повинен суворо дотримуватися закон збереження маси: маси вступили в реакцію речовин, дорівнюють масі продуктів реакції.

Хімічна реакція – процес, при якому речовини, що володіють певним складом і властивостями, перетворюються в інші речовини – з іншим складом і властивостями. При цьому в складі атомних ядер змін не відбувається.

Хімічні реакції завжди супроводжуються фізичними ефектами – поглинанням або виділенням теплоти, змінами агрегатного стану і забарвлення речовин.

Необхідно дотримуватися певних правила складання хімічних рівнянь.

Приклад складання хімічного рівняння:

• зліва 2 атома Fe – справа 1 атом Fe (множник 2);
• зліва 3 атома O – справа 1 атом O (множник 3)

Потім підбирається коефіцієнт для H2O:

зліва 2 атоми H – справа 2 атоми H (множник 1), але оскільки справа 3 атоми O, то множник для H2O отримуємо 3. Н у правій частині рівняння має множник 6, для рівноваги Н, в лівій частині використовуємо множник 3.

Підсумкове хімічне рівняння:

Випадання осаду в результаті хімічної реакції позначається в хімічному рівнянні стрілкою вниз ↓. Це означає, що нерозчинне з’єднання:

Виділення газу в результаті хімічної реакції позначається в хімічному рівнянні стрілкою вгору ↑.

Види хімічних реакцій

• реакції сполучення;
• реакції розкладу;
• реакції заміщення;
• реакції обміну.

Реакції з’єднання: хоча б два елементи утворюють один продукт:

Реакції розкладання: речовина розпадається на два або більше простих елементів (з’єднання):

Реакція заміщення: обов’язково беруть участь атоми якого-небудь простої речовини, які заміщають атоми одного елемента в складній речовині:

Цинк замістив водень в його поєднанні з хлором (HCl). Водень при цьому виділяється у вигляді газу.

Реакція обміну: реагенти і продукти реакції є складними речовинами:

Що ми дізналися?

1. Загальне Визначення
   • Хімічне рівняння – це символічне представлення хімічної реакції у вигляді символів і формул реагентів (ліворуч) та продуктів (праворуч).
2. Закон Збереження Маси
   • Хімічне рівняння відображає закон збереження маси: кількість атомів кожного елемента в реагентах дорівнює кількості атомів цих елементів у продуктах.
3. Коефіцієнти
   • Для збалансування хімічного рівняння використовуються коефіцієнти – числа, розташовані перед формулами речовин, щоб забезпечити рівну кількість атомів кожного елемента в обох частинах рівняння.
4. Стани Речовин
   • У хімічних рівняннях часто зазначаються стани речовин: (s) для твердих речовин, (l) для рідин, (g) для газів, і (aq) для водних розчинів.
5. Енергетичні Зміни
   • Рівняння можуть містити інформацію про енергетичні зміни під час реакції, наприклад, виділення або поглинання тепла.
6. Типи Реакцій
   • Хімічні рівняння можуть представляти різні типи реакцій, включаючи синтез, розклад, одинарне та подвійне заміщення, та окиснення-відновлення.
7. Реальність Проти Символізму
   • Хоча хімічні рівняння є узагальненим представленням реакцій, вони не завжди точно відображають всі деталі процесу, як-от швидкість реакції чи вторинні продукти.

Висновок

Хімічні рівняння відіграють ключову роль у розумінні хімічних процесів, надаючи ясне та зрозуміле представлення про перебіг реакцій і дозволяючи передбачити продукти цих реакцій. Вони є фундаментальним інструментом в хімії, що дозволяє науковцям і студентам візуалізувати та кількісно оцінювати хімічні перетворення.

§ 16. Рівняння хімічних реакцій. Закон збереження маси речовин у хімічних реакціях

Усі хімічні перетворення зручніше описувати за допомогою хімічних формул і рівнянь реакцій. Процес горіння вугілля можна описати такою схемою:

Цей схематичний запис називають рівнянням хімічної реакції. У лівій частині наведеного рівняння один атом Карбону й одна молекула кисню, що складається з двох атомів Оксигену. У правій частині рівняння одна молекула вуглекислого газу (карбон(ІV) оксиду), що складається з одного атома Карбону та двох атомів Оксигену.

Число атомів кожного хімічного елемента в обох частинах рівняння однакове. Для того щоб підкреслити однакову кількість атомів усіх елементів, у наведеному записі стрілку можна замінити на знак рівності:

Рівняння хімічної реакції є відображенням закону збереження маси речовин у хімічних реакціях.

Маса речовин, що вступили в хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися в результаті реакції.

Цей закон був відкритий М. В. Ломоносовим у 1748 році та, незалежно від нього, А. Лавуазьє у 1789 році, тому цей закон називають також законом Ломоносова-Лавуазьє.

У результаті хімічних реакцій одні речовини перетворюються на інші: атоми, з яких складаються початкові речовини, не зникають, не з’являються і не перетворюються з одного виду на інший, а тільки перегруповуються, утворюючи молекули нових речовин. Сьогодні це твердження здається очевидним, проте в XVII столітті спостереження деяких учених суперечили йому. Наприклад, спирт під час горіння поступово втрачає масу і, врешті-решт, зникає. Якщо залізна пластинка лежить на повітрі, вона поступово іржавіє і її маса за таких умов збільшується. Як це пояснити? Пояснення цим фактам отримали тільки після проведення експериментів із ретельним зважуванням початкових речовин та продуктів реакцій.

Доведемо, що під час горіння закон збереження маси виконується. Горіння свічки — це хімічна реакція, що відбувається з утворенням вуглекислого газу та води (у вигляді водяної пари). Продукти реакції (вуглекислий газ і водяна пара) — це газуваті речовини, які випаровуються, і тому здається, що речовина зникає. Якщо реакцію проводити в закритій посудині, то продуктам реакції нема куди зникати.

На одну шальку терезів помістимо свічку в посудині, заповненій киснем, що герметично закривається (мал. 86). Урівноважимо терези й підпалимо свічку. Свічка певний час горить, а потім, коли витратиться кисень, горіння припиняється. Під час горіння свічки рівновага терезів зберігається. Отже, маса колби з початковими речовинами дорівнює масі колби з продуктами реакції.

Мал. 86. Дослід, що ілюструє закон збереження маси в хімічних реакціях: при горінні свічки в закритій посудині рівновага на терезах не змінюється

У разі іржавіння заліза атоми Феруму реагують з киснем і водою з навколишнього повітря. У цьому випадку утворюється іржа, маса якої більша, ніж маса початкового заліза, тому здається, що речовина виникає нізвідки.

Проведемо подібний дослід у герметичній колбі (мал. 87а). Помістимо зразок металу в колбу і закриємо її корком із запаяною газовідвідною трубкою та нагріємо. Після прожарювання метал змінює свій колір, оскільки перетворився на оксид (мал. 87б). Щоб довести, що частина повітря витратилася на реакцію з металом, опустимо газовідвідну трубку в посудину з водою і зламаємо кінець трубки. Оскільки частина повітря сполучилася з металом, то в колбі виник вільний простір, який через трубку заповнює вода (мал. 87в).

Мал. 87. Прожарювання металу в закритій колбі. Після закінчення реакції місце повітря, що витратилося на реакцію, займає вода

Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765)

Видатний російський учений. Навчався у Слов’яно-греко-латинській академії, в Києво-Могилянській академії, Петербурзькому університеті, в університеті Гамбурга. Ломоносов був одним із найосвіченіших людей Росії того часу. Заслуговують на увагу та пошану його роботи не тільки в галузі хімії, але й у мінералогії, географії, металургії, фізиці, історії, поезії, образотворчому мистецтві. Відкрив закон збереження маси, створив першу в Росії хімічну лабораторію. За результатами спостережень сонячного затемнення встановив існування атмосфери на Венері. За його ініціативою був відкритий Московський університет, який донині носить його ім’я.

Складання рівнянь хімічних реакцій

Рівняння хімічних реакцій складаються з урахуванням закону збереження маси. Розглянемо, як складаються рівняння реакцій утворення бінарних сполук із простих речовин.

Приклад 1. Складемо рівняння реакції утворення метану СН₄ — основного компоненту природного газу. Метан складається з атомів Карбону та Гідрогену. Отже, для його добування необхідні прості речовини, одна з яких складається з атомів Карбону (вугілля С), а інша — з атомів Гідрогену (водень Н₂).

У лівій частині записуємо формули початкових речовин (реагентів) С і Н₂, а в правій — продукту реакції СН₄:

Але цей запис ще не є рівнянням реакції — це схема реакції. Для того щоб вона перетворилася на рівняння, необхідно зрівняти число атомів кожного елемента в лівій і правій частинах. Для цього необхідно дібрати коефіцієнти — цифри перед хімічними формулами, які вказують число молекул (атомів або формульних одиниць). Як видно, у лівій і правій частинах схеми по одному атому Карбону, але в лівій частині два атоми Гідрогену (одна молекула водню), а в правій — чотири атоми (у складі однієї молекули метану). Це суперечить закону збереження маси. Щоб це виправити, перед формулою водню в лівій частині рівняння необхідно поставити коефіцієнт 2:

Тепер в обох частинах рівняння число атомів Гідрогену та Карбону однакове. Щоб підкреслити, що коефіцієнти дібрані, стрілку між реагентами і продуктами в рівнянні можна замінити знаком рівності:

Приклад 2. Розглянемо реакцію горіння метану. Горіння — це взаємодія з киснем O₂. Під час горіння метану утворюються вуглекислий газ СO₂ і вода Н₂O.

Тепер треба зрівняти число атомів кожного хімічного елемента, тобто дібрати коефіцієнти. Почнемо з атомів Карбону: в обох частинах рівняння їх по одному. Потім підрахуємо атоми Гідрогену: у лівій частині чотири атоми, а в правій — два. Щоб зрівняти їх число, треба перед формулою води поставити коефіцієнт 2:

Залишилося зрівняти число атомів Оксигену (зазвичай Оксиген зрівнюють останнім). У лівій частині рівняння два атоми Оксигену в молекулі O₂, а в правій — чотири (два атоми у складі молекули вуглекислого газу СO₂ і два атоми у складі двох молекул води Н₂O). Отже, в лівій частині рівняння перед формулою кисню треба поставити коефіцієнт 2:

Тепер число атомів усіх елементів однакове, отже, коефіцієнти дібрано правильно.

Добираючи коефіцієнти в рівнянні реакції, слід пам’ятати такі правила:

• коефіцієнт показує число молекул, окремих атомів або формульних одиниць у рівнянні реакції;

• коефіцієнт ставиться тільки перед хімічною формулою;

• коефіцієнт стосується всіх атомів, з яких складається молекула, перед якою він стоїть, наприклад:

запис 2Н₂O означає дві молекули води, у яких міститься 4 атоми Гідрогену (по два в кожній молекулі) і 2 атоми Оксигену (по одному в кожній молекулі);

• коефіцієнт 1, як і індекс 1, не записується;

• індекс показує число атомів елемента (або груп атомів) у складі молекули, а коефіцієнт — число молекул, наприклад:

Н₂ — одна молекула водню, що складається з двох атомів Гідрогену;

2Н₂ — дві молекули водню, кожна з яких складається з двох атомів Гідрогену.

Записи 4Н і 2Н₂ нерівнозначні. Хоча в них записане однакове число атомів Гідрогену, проте перший запис означає чотири окремі атоми Гідрогену, а другий — дві молекули водню.

У рівняннях реакцій також часто вказують умови перебігу реакцій або виділення газу й осаду. Так, якщо з розчину виділяється газувата речовина, то поряд з її формулою ставлять стрілку, спрямовану вгору: ↑. Якщо з газів або рідин утворюється нерозчинна речовина, то поряд з її формулою ставлять стрілку, спрямовану вниз: ↓.

1. Маси речовин, що вступають у реакцію, дорівнюють масі утворених речовин, що підтверджує закон збереження маси в хімічних реакціях. Цей закон ґрунтується на тому, що атоми в хімічних реакціях не зникають, а просто переходять з одних речовин до складу інших. За допомогою хімічних символів і знаків закон збереження маси відображають рівнянням хімічної реакції.

2. При складанні рівнянь хімічних реакцій необхідно дотримуватися вимоги, щоб число атомів усіх елементів у лівій і правій частинах рівняння було однаковим. Для цього перед хімічними формулами пишуть коефіцієнти, які означають число молекул, окремих атомів або формульних одиниць.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте закон збереження маси речовин і обґрунтуйте його з позиції понять про атоми та молекули.

2. Чому при горінні свічки її маса поступово зменшується? Чи не суперечить це закону збереження маси?

3. Який запис називають рівнянням хімічної реакції?

4. Яке значення має коефіцієнт у рівнянні реакції та індекс у хімічній формулі? У чому полягає відмінність між коефіцієнтом та індексом?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Поясніть, що означають записи:

2. Розгляньте схематичне зображення хімічної реакції утворення амоніаку. Запишіть для неї рівняння, якщо синіми кульками позначені атоми Нітрогену, а червоними — Гідрогену.

3. Доберіть коефіцієнти. У разі потреби позначте виділення газу або нерозчинної речовини відповідними символами.

Що таке хімічна реакція?

Ви постійно стикаєтеся з хімічними реакціями . Вогонь, дихання та приготування їжі включають хімічні реакції. А чи знаєте ви, що таке хімічна реакція? Ось відповідь на запитання.

Визначення хімічної реакції

Простіше кажучи, хімічна реакція — це будь-яке перетворення однієї групи хімічних речовин в іншу.

Якщо початкова та кінцева речовини однакові, можливо, відбулася зміна, але не хімічна реакція. Реакція передбачає перегрупування молекул або іонів у іншу структуру. Порівняйте це з фізичною зміною , коли зовнішній вигляд змінюється, але молекулярна структура залишається незмінною, або ядерною реакцією, під час якої змінюється склад атомного ядра. Під час хімічної реакції атомне ядро ​​залишається недоторканим, але електрони можуть переноситися або ділитися для розриву й утворення хімічних зв’язків. У фізичних і хімічних змінах (реакцій), кількість атомів кожного елемента однакова як до, так і після процесу. Однак у фізичних змінах атоми зберігають своє розташування в молекулах і сполуках. Під час хімічної реакції атоми утворюють нові продукти, молекули та сполуки.

Ознаки того, що сталася хімічна реакція

Оскільки на хімічні речовини на молекулярному рівні неможливо дивитися неозброєним оком, корисно знати ознаки, які вказують на те, що відбулася реакція. Хімічна реакція часто супроводжується зміною температури, бульбашками, зміною кольору та/або утворенням осаду.

Хімічні реакції та хімічні рівняння

Атоми і молекули, які взаємодіють, називаються реагентами . Атоми та молекули, що утворюються в результаті реакції, називаються продуктами . Хіміки використовують скорочений запис, який називається хімічним рівнянням , щоб позначити реагенти та продукти. У цьому позначенні реагенти перераховані ліворуч, продукти — праворуч, а реагенти та продукти розділені стрілкою , що показує, у якому напрямку протікає реакція. Хоча багато хімічних рівнянь показують, що реагенти утворюють продукти, насправді хімічна реакція часто протікає і в іншому напрямку. У хімічній реакції та хімічному рівнянні нові атоми не утворюються та не втрачаються ( збереження маси ), але хімічні зв’язки можуть розриватися й утворюватися між різними атомами.

Хімічні рівняння можуть бути незбалансованими або збалансованими. Незбалансоване хімічне рівняння не враховує збереження маси, але воно часто є хорошою відправною точкою, оскільки воно містить перелік продуктів і реагентів, а також напрямок хімічної реакції.

Як приклад розглянемо утворення іржі. Коли утворюється іржа, металеве залізо реагує з киснем повітря, утворюючи нову сполуку, оксид заліза (іржу). Цю хімічну реакцію можна виразити наступним незбалансованим хімічним рівнянням, яке можна записати за допомогою слів або хімічних символів для елементів:

залізо плюс кисень дають оксид заліза

Більш точний опис хімічної реакції можна отримати, написавши збалансоване хімічне рівняння . Збалансоване хімічне рівняння написано таким чином, щоб кількість атомів кожного типу елемента була однаковою як для продуктів, так і для реагентів. Коефіцієнти перед хімічними видами вказують на кількість реагентів, а нижні індекси в складі вказують на кількість атомів кожного елемента. Збалансовані хімічні рівняння зазвичай перелічують стан речовини кожного реагенту (s для твердої речовини, l для рідини, g для газу). Отже, збалансоване рівняння хімічної реакції утворення іржі виглядає так:

Приклади хімічних реакцій

Існують мільйони хімічних реакцій ! Ось кілька прикладів:

• Пожежа (горіння)
• Випікання торта
• Приготування яйця
• Змішування харчової соди та оцту для отримання солі та вуглекислого газу

Хімічні реакції також можна класифікувати відповідно до загальних типів реакцій . Існує більше однієї назви для кожного типу реакції, тому це може заплутати, але форму рівняння має бути легко розпізнати:

• Реакція синтезу або пряме сполучення: А + В → АВ
• Реакція аналізу або розкладання: АВ → А + В
• Одиночне зміщення або заміна: A + BC → AC + B
• Метатеза або подвійне зміщення: AB + CD → AD + CB

Іншими типами реакцій є окисно-відновні реакції, кислотно-основні реакції, горіння, ізомеризація та гідроліз. Хімічні реакції всюди .